JP6024481B2 - 半導体圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、絶対真空を基準にして表わした圧力を測定可能な圧力センサチップ（以下、絶対圧センサチップとも称する）がパッケージングされてなる半導体圧力センサ（以下、絶対圧センサとも称する）に関し、より特定的には、ダイヤフラム型の絶対圧センサチップがダイボンド材を用いてパッケージ本体に固定されてなる絶対圧センサに関する。

圧力センサは、主として気体や液体の圧力を検出するものであり、気圧センサや高度センサ、水圧センサとして各種の装置に適用されている。また、近年においては、これを高度センサとして利用する場合の一態様として、位置情報を得るためのナビゲーション装置への応用やユーザの運動量を精緻に計測する計測器への応用等、その適用範囲が広がりつつある。

一般に、圧力センサは、絶対真空を基準にして表わした圧力を測定する絶対圧センサと、大気圧等のある任意の比較すべき圧力（基準圧）に対して表わした圧力を測定する相対圧センサ（差圧センサ）とに大別される。

このうちの絶対圧センサとしては、各種のものが存在するが、その一つに、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）センサチップとしてのダイヤフラム型の絶対圧センサチップを備えたものがある。このダイヤフラム型の絶対圧センサチップを備えた絶対センサは、他に比較して大幅に小型であるため、上述したナビゲーション装置への応用や活動量計への応用に適している。

この種の絶対圧センサチップを搭載した絶対圧センサの一般的な構造が開示された文献としては、たとえば特開平１０−１７０３６７号公報（特許文献１）や特開２０１２−２０７９３１号公報（特許文献２）等がある。

上記特許文献１に開示された絶対圧センサは、真空室およびこれに接するダイヤフラムを含む半導体チップとガラス台座との積層体（すなわち、当該積層体が絶対圧センサチップに該当する）にて構成するとともに、当該絶対圧センサチップのガラス台座の実装面の全面をダイボンド材としてのシリコーン系樹脂接着剤を用いてエポキシ樹脂からなる基台に対して固定した構造を有するものである。

一方、上記特許文献２に開示された絶対圧センサは、真空に維持されたキャビティおよびこれに接するダイヤフラムが形成された絶対圧センサチップを樹脂材料からなるパッケージ本体上に載置し、当該絶対圧センサチップの周側面に沿ってダイボンディング樹脂を塗布することで絶対圧センサチップをパッケージ本体に固定した構造を有するものである。

特開平１０−１７０３６７号公報 特開２０１２−２０７９３１号公報

一般に、絶対圧センサおよびこれに搭載される絶対圧センサチップにおいては、さらなる小型化やその検出精度の高精度化が要求されている。絶対圧センサチップをナビゲーション装置や活動量計において利用する上記の一態様の場合においても例外ではなく、これら装置が可搬型の装置であることを考慮すれば、絶対圧センサのさらなる小型化（特に薄型化）に対する要求は強く、また高度の違いに基づく気圧の変化をより高精度に検出できることが特に重要な課題となっている。

ダイヤフラム型の絶対圧センサチップの検出精度を高精度化するためには、外部環境の温度変化やパッケージ本体あるいはダイボンド材の温度変化に伴って生じるダイヤフラムへの応力を軽減することが必要であり、そのためには、上述した温度変化が生じた場合にもダイヤフラムに応力が集中しないように構成することが重要である。

この点に関し、上記特許文献１には、ガラス台座の厚みを十分に厚くしたり、あるいは、ダイボンド材としてのシリコーン系樹脂接着剤に所定の粒径のマイクロビーズを混入させることで接着剤の厚みを十分に厚くしたりすることにより、温度変化が生じた場合にもダイヤフラムに応力が集中することが軽減でき、その結果として絶対圧センサチップの検出精度が高精度化できることが記載されている。

しかしながら、前者の手法を採用した場合には、絶対圧センサチップの台座部の厚みが厚くなることで絶対圧センサが大型化してしまう問題が発生し、また、後者の手法を採用した場合には、別途マイクロビーズを用いることで製造コストが増大してしまう問題が発生する。

したがって、本発明は、上述した問題点を解決すべくなされたものであり、小型化および検出精度の高精度化が可能でかつ安価に製造できる半導体圧力センサを提供することを目的とする。

本発明に基づく半導体圧力センサは、表面および裏面を有する圧力センサチップと、上記圧力センサチップが搭載されたパッケージ本体と、上記圧力センサチップの上記裏面側において上記圧力センサチップと上記パッケージ本体との間に介在し、上記圧力センサチップを上記パッケージ本体に固定するダイボンド材とを備えている。上記圧力センサチップは、内部に設けられた真空チャンバと、上記真空チャンバに接するように上記表面に設けられたダイヤフラムと、上記ダイヤフラムに設けられた感圧部とを含んでいる。上記圧力センサチップの上記裏面は、当該裏面の法線方向に沿って見た場合に上記ダイヤフラムに重なる第１領域と、上記第１領域の周囲に位置する第２領域とを有している。上記圧力センサチップの上記裏面に対する上記ダイボンド材の接触領域は、上記第１領域内に位置しておらず、上記第２領域内にのみ位置している。上記パッケージ本体には、上記ダイボンド材によって充填された凹部が設けられており、上記ダイボンド材は、上記凹部内においてのみ上記パッケージ本体に接触している。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記第１領域の外形線を上記第１領域の中心を基準として相似形に平面的に２倍の大きさに拡大した仮想線を描いた場合に、上記接触領域が、上記仮想線よりも内側の範囲に位置しておらず、当該内側の範囲よりも外側にのみ位置していることが好ましい。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記接触領域が、上記圧力センサチップの上記裏面の法線方向に沿って見た場合に、全体として上記第１領域を取り囲むように点列状に形成されていることが好ましい。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記圧力センサチップの上記裏面が、矩形状であってもよく、その場合には、上記接触領域が、上記圧力センサチップの上記裏面の四隅にのみ位置していることが好ましい。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記接触領域が、上記圧力センサチップの上記裏面の法線方向に沿って見た場合に、上記第１領域を取り囲むようにループ状に形成されていてもよい。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記ダイボンド材が接触する部分の上記パッケージ本体の表面粗さが、その周囲に位置する部分の上記パッケージ本体の表面粗さよりも粗いことが好ましい。

上記本発明に基づく半導体圧力センサにあっては、上記ダイボンド材の弾性率が、上記ダイボンド材に接触する部分の上記圧力センサチップの弾性率よりも小さいことが好ましい。

本発明によれば、小型化および検出精度の高精度化が可能でかつ安価に製造できる半導体圧力センサとすることができる。

本発明の実施の形態１における絶対圧センサの断面図である。 本発明の実施の形態１における絶対圧センサの模式平面図であり、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係、ダイヤフラムの形状およびダイボンド材の形状を示す図である。 図１に示す絶対圧センサチップの平面図である。 図１に示す絶対圧センサチップの断面図である。 第１検証シミュレーションに使用したモデルにおいて、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係を変化させた様子を示す模式図である。 第１検証シミュレーションの結果に基づいて、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係を変化させた場合におけるダイヤフラムに生じる応力の変化を示したグラフである。 第１ないし第６変形例における絶対圧センサの絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係、ダイヤフラムの形状およびダイボンド材の形状を示す模式図である。 第７変形例における絶対圧センサの絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係、ダイヤフラムの形状およびダイボンド材の形状を示す模式図である。 第２検証シミュレーションにおいて、比較例１に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果を示す図である。 第２検証シミュレーションにおいて、実施例１に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果を示す図である。 第２検証シミュレーションにおいて、実施例２に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果を示す図である。 第２検証シミュレーションにおいて、実施例３に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果を示す図である。 第２検証シミュレーションにおいて、実施例４に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果を示す図である。 第２検証シミュレーションの結果に基づいて、比較例１および実施例１ないし４に係る絶対圧センサの絶対圧センサチップに生じる対角線方向に沿った応力の分布をまとめて示したグラフである。 第３検証シミュレーションの結果に基づいて、比較例２および実施例５に係る絶対圧センサの絶対圧センサチップに生じる対角線方向に沿った応力の分布をまとめて示したグラフである。 本発明の実施の形態２における絶対圧センサの断面図である。 本発明の実施の形態３における絶対圧センサの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一のまたは共通する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の実施の形態１における絶対圧センサの断面図および模式平面図である。また、図３および図４は、図１に示す絶対圧センサチップの平面図および断面図である。以下、これら図１ないし図４を参照して、本発明の実施の形態１における絶対圧センサについて説明する。

なお、図１は、図２中に示すＩ−Ｉ線に沿った絶対圧センサの断面を示しており、図４は、図３中に示すＩＶ−ＩＶ線に沿った絶対圧センサチップの断面を示している。また、図２は、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係、ダイヤフラムの形状およびダイボンド材の形状を示すための図でもあるため、当該図２においては、図１に示すリッドおよび絶対圧センサチップ等を破線にて示すこととしている。

図１および図２に示すように、本実施の形態における半導体圧力センサとしての絶対圧センサ１は、表面実装型デバイスとして構成されたものであり、圧力センサチップとしての絶対圧センサチップ１０と、パッケージとしてのパッケージ本体２およびリッド７と、ダイボンド材２０とを主として備えている。絶対圧センサチップ１０は、ダイボンド材２０によってパッケージ本体２に固定されている。これにより、絶対圧センサチップ１０は、パッケージ本体２およびリッド７からなるパッケージの内部に収容されている。

図３および図４に示すように、絶対圧センサチップ１０は、平面視矩形状の表面１２ａおよび裏面１１ａを有する扁平直方体形状の外形を有している。絶対圧センサチップ１０は、ダイヤフラム型のＭＥＭＳ圧力センサチップであり、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）として構成されたモノリシック構造を有している。

絶対圧センサチップ１０の表面１２ａの所定位置には、感圧部１８、アナログ回路部１９Ａ、デジタル回路部１９Ｂおよびメモリ部１９Ｃがそれぞれ設けられている。ここで、絶対圧センサチップ１０の表面１２ａに設けられたこれら機能部は、いずれもＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスが適用されることで形成される。

絶対圧センサチップ１０は、裏面側基板１１および表面側基板１２を貼り合わせることで構成されている。上述した絶対圧センサチップ１０の表面１２ａは、表面側基板１２の一対の主表面のうちの非貼り合わせ面にて構成されており、上述した絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａは、裏面側基板１１の一対の主表面のうちの非貼り合わせ面にて構成されている。

絶対圧センサチップ１０は、内部に設けられた円柱状の空間を有する真空チャンバ１５と、当該真空チャンバ１５に接するように表面１２ａに設けられた円板状のダイヤフラム１３とを含んでいる。また、絶対圧センサチップ１０の表面側基板１２は、上述したダイヤフラム１３に加え、当該ダイヤフラム１３および真空チャンバ１５を囲繞するようにこれらの周囲に設けられたフレーム１４をさらに含んでいる。

感圧部１８は、ダイヤフラム１３の周縁に沿って設けられた複数のピエゾ抵抗素子１６と、これら複数のピエゾ抵抗素子１６を電気的に接続するアルミニウム配線等からなる複数の導電パターン１７とによって形成されたブリッジ回路にて構成されている。一方、アナログ回路部１９Ａ、デジタル回路部１９Ｂおよびメモリ部１９Ｃは、上述したフレーム１４に設けられている。なお、感圧部１８としては、上述した如くの複数のピエゾ抵抗素子１６を利用したものに限られず、静電容量式のものを利用することも可能である。

上記構成の絶対圧センサチップ１０においては、ダイヤフラム１３の表面に外気圧が付加されることでダイヤフラム１３に歪みが生じることになり、その歪み度合いに応じて複数のピエゾ抵抗素子１６の抵抗値がそれぞれ変化してブリッジ回路の中点電位が変動し、この変動する中点電位がアナログ回路部１９Ａおよびデジタル回路部１９Ｂにおいて処理されることで適切な電気信号に変換され、変換後の電気信号が圧力に応じたセンサ出力として外部に出力される。なお、当該電気信号の出力に際して、生成した電気信号を一時的にメモリ部１９Ｃにおいて記憶させることも可能である。

上記構成の絶対圧センサチップ１０は、表面側基板１２の貼り合わせ面に予めＤｅｅｐＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）が適用されることで凹部が形成され、当該凹部を覆うように真空環境下において裏面側基板１１が表面側基板１２に貼り合わされることで製造される。これにより、絶対圧センサチップ１０の内部に上述した真空チャンバ１５が形成されるとともに、当該凹部を規定する表面側基板１２の底板部によってダイヤフラム１３が形成される。

なお、裏面側基板１１および表面側基板１２としては、好適にはシリコン基板が用いられ、その場合には、これらの貼り合わせにＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術が適用できる。なお、裏面側基板としては、シリコン基板に限られず、ガラス基板等を利用することも可能である。

図１および図２に示すように、パッケージ本体２は、主として絶縁材料にて形成された箱状の形状を有しており、絶対圧センサチップ１０が収容された凹部を有している。パッケージ本体２を構成する絶縁材料としては、セラミックス材料または樹脂材料等が利用できるが、特にセラミックス材料が好適に利用できる。また、絶対圧センサチップ１０との線膨張係数差を軽減するために、パッケージ本体２としてシリコン基板等を用いることも可能である。

絶対圧センサチップ１０が収容された凹部の側面を構成するパッケージ本体２の内側面には、段差部が設けられており、当該段差部の所定位置に複数のパッド電極３が設けられている。また、パッケージ本体２の枠状の上面には、リッド７を接合するためのリッド接合部４が当該上面に沿って枠状に設けられている。当該リッド接合部４は、リッド７を接地するためのものである。

パッケージ本体２の下面の所定位置には、絶対圧センサ１が実装される実装基板（マザー基板）に対して半田付けを行なうための複数の半田付けランド５が設けられている。また、パッケージ本体２の内部の所定位置には、上述したパッド電極３、リッド接合部４および半田付けランド５を相互に電気的に接続する複数のコンタクト６が設けられている。

絶対圧センサチップ１０は、その裏面１１ａがパッケージ本体２の凹部の底面に対面した状態でパッケージ本体２にダイボンド材２０を介して固定されている。ダイボンド材２０としては、絶縁性の樹脂接着剤が利用でき、特に好適にはシリコーン系樹脂接着剤が利用できる。なお、本実施の形態における絶対圧センサ１においては、図示するように、ダイボンド材２０が絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａの全面に対して接着されず、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａの四隅においてのみ接着された構成のものであるが、その詳細については後述することとする。

パッケージ本体２の凹部に収容された絶対圧センサチップ１０は、Ａｕワイヤ等からなるボンディングワイヤ８を介してパッケージ本体２に電気的に接続されている。より詳細には、絶対圧センサチップ１０の表面１２ａには、図示しないボンディングパッドが設けられており、当該ボンディングパッドと上述したパッド電極３とを接続するようにボンディングワイヤ８が付設されている。

リッド７は、金属製の部材からなり、パッケージ本体２の上面に固定されている。より具体的には、リッド７の周縁がパッケージ本体２の上面に設けられた枠状のリッド接合部４に対向した状態とされ、この状態においてリッド７の下面の周縁とリッド接合部４とが接合されることにより、リッド７がパッケージ本体２に固定されている。これにより、パッケージ本体２およびリッド７からなるパッケージによって絶対圧センサチップ１０が覆われることになる。

なお、絶対圧センサチップ１０の周囲の空間は、パッケージ本体２およびリッド７の少なくともいずれかに設けられた図示しない連通孔またはパッケージ本体２とリッド７との間に設けられた図示しない隙間を介して外部の空間に連通している。これにより、絶対圧センサ１の内部の気圧が外気圧と等しくなることになり、ダイヤフラム１３に外気圧と同等の気圧が常に付加された状態となる。

上述したように、本実施の形態における絶対圧センサ１においては、ダイボンド材２０が絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａの全面に対して接着されず、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａの四隅においてのみ接着されている。

より詳細には、図２に示すように、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａを、当該裏面１１ａの法線方向に沿って見た場合にダイヤフラム１３に重なることとなる第１領域Ａ１と、当該第１領域Ａ１の周囲に位置する第２領域Ａ２とに区画した場合に、当該裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域（すなわち、ダイボンド材２０が上記裏面１１ａに接着している領域）は、第１領域Ａ１内に位置しておらず、第２領域Ａ２内にのみ位置している。すなわち、上記裏面１１ａの法線方向に沿って見た場合には、当該裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が、全体として第１領域Ａ１を取り囲むように点列状（個別に見ればスポット状）に形成されている。

また、絶対圧センサチップ１０が固定されたパッケージ本体２の凹部の底面を、当該底面の法線方向に沿って見た場合にダイヤフラム１３に重なることとなる第３領域と、当該第３領域の周囲に位置する第４領域とに区画した場合に、当該底面に対するダイボンド材２０の接触領域（すなわち、ダイボンド材２０が上記底面に接着している領域）は、第３領域内に位置しておらず、第４領域内にのみ位置している。すなわち、上記底面の法線方向に沿って見た場合には、当該底面に対するダイボンド材２０の接触領域が、全体として第３領域を取り囲むように点列状（個別に見ればスポット状）に形成されている。

このように構成することにより、外部環境の温度変化があった場合やパッケージ本体２の温度変化に伴ってダイボンド材２０に温度変化があった場合にも、ダイヤフラム１３に応力が集中しないようになり、これら温度変化に伴って生じるダイヤフラム１３への応力を大幅に軽減させることができる。以下、その理由についての考察を示す。

絶対圧センサチップの性能に影響を与える特性の一つとして、センサ出力ヒステリシスがある。センサ出力ヒステリシスは、絶対圧センサチップに付加された圧力が零である場合と定格圧力である場合のそれぞれにおける出力電流（または電圧）値間に理想直線を引き、これと実測電流（または電圧）値との間の差を誤差値として求め、圧力上昇時の誤差値と圧力下降時の誤差値との差の絶対値をフルスケールに対してパーセント表示したものである。このセンサ出力ヒステリシスは、小さければ小さい程よく、センサ出力ヒステリシスが小さい場合には、検出精度の高精度化が図られていると言える。

当該センサ出力ヒステリシスの大小は、ダイボンド材のいわゆる熱ヒステリシス（ダイボンド材の温度が上昇し、その後これが下降する場合において、直ちに元の状態にダイボンド材が戻らず、時間をかけて元の状態に戻っていく現象）の大小や、絶対圧センサチップとダイボンド材との間の線膨張係数差の大小によって主として決まるものと考えられ、これらの影響を可能な限り軽減することにより、センサ出力ヒステリシスが小さくなるものと考えられる。

この点、本実施の形態における絶対圧センサ１においては、ダイボンド材２０による接触領域の大きさが絶対圧センサチップ１０とパッケージ本体２とが対向する部分の面積よりも大幅に小さく抑えられており、また接触領域とダイヤフラム１３との間の距離も十分に遠ざけられた状態にあるため、ダイボンド材２０の熱ヒステリシスがダイヤフラム１３に与える影響が大幅に軽減されているものと推測される。

さらには、上述したように、たとえば裏面側基板１１としてシリコン基板を使用し、ダイボンド材２０としてシリコーン系樹脂接着剤を使用すれば、ダイボンド材２０の弾性率が、ダイボンド材２０に接触する部分の絶対圧センサチップ１０の弾性率よりも大幅に小さいことになり、ダイボンド材２０が絶対圧センサチップ１０に比して大きく弾性変形することになるため、結果として絶対圧センサチップ１０とダイボンド材２０との間の線膨張係数差の影響が大幅に軽減されているものと推測される。

したがって、上述した本実施の形態における絶対圧センサ１とすることにより、裏面側基板１１の厚みを厚くしたり、あるいは、ダイボンド材２０にマイクロビーズを混入させてダイボンド材２０の厚みを厚くしたりしなくとも、ダイボンド材２０の接触領域を上記のように設定することで検出精度の高精度化が図れることになり、小型でかつ安価に製造できる絶対圧センサとすることができる。

なお、本発明者は、上述した本実施の形態における絶対圧センサ１を実際に製作し、上述したダイボンド材２０の厚みを１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲に設定しつつ当該ダイボンド材２０の接触領域を最適化することにより、高低差５０ｃｍの検出精度を達成するために必要となる相対圧力精度±６Ｐａでの絶対圧検出が少なくとも実現できることを実験的に確認している。

（第１検証シミュレーション）
以下、検出精度の高精度化を図るに当たり、上述したダイボンド材２０の接触領域をどのように設定すべきか検証した第１検証シミュレーションについて説明する。図５は、第１検証シミュレーションに使用したモデルにおいて、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係を変化させた様子を示す模式図である。

第１検証シミュレーションにおいては、図５に示すように、上述した実施の形態１における絶対圧センサ１において、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａの四隅に位置する平面視矩形状のダイボンド材２０の大きさを徐々に小さくすることで絶対圧センサチップ１０の中心位置からダイボンド材２０までの距離が徐々に大きくなるように（図中に示す距離Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、・・・が、Ｄ１＜Ｄ２＜Ｄ３・・・となるように（換言すれば、ダイヤフラム１３からダイボンド材２０までの距離が徐々に遠ざかるように））複数のモデルを設定し、これら複数のモデルのそれぞれについて−１０°〜＋２５°の範囲で熱履歴を加えた場合の構造解析シミュレーションを行なうことにより、温度変化に伴って絶対圧センサチップ１０に生じる応力の発生具合にどのような変化が生じるかを確認した。

なお、共通して、これら複数のモデルにおいては、裏面側基板１１および表面側基板１２としてシリコン基板（ヤング率：１．３×１０⁵［Ｎ／μｍ²］、ポアソン比：０．２８）を使用したと設定し、絶対圧センサチップ１０の中心に所定の大きさおよび厚さの平面視円形状のダイヤフラム１３を形成したと設定し、絶対圧センサチップ１０の縦幅および横幅をいずれもダイヤフラム１３の直径の約９．４倍の大きさに設定し、絶対圧センサチップ１０の厚みをダイヤフラム１３の厚みの１００倍の大きさに設定し、ダイボンド材２０として厚みがダイヤフラム１３の厚みの１０倍の大きさのシリコーン系樹脂接着剤（ヤング率：８．９［Ｎ／μｍ²］、ポアソン比：０．４５）を使用したと設定した。

図６は、当該第１検証シミュレーションの結果に基づいて、絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係を変化させた場合におけるダイヤフラムに生じる応力の変化を示したグラフである。当該図６においては、横軸が、絶対圧センサチップ１０の中心位置からダイボンド材２０までの距離を、絶対圧センサチップ１０の中心位置からダイヤフラム１３の端部までの距離を基準とした場合の距離比にて表わしたものであり、縦軸が、ダイヤフラム１３に生じる主応力を、絶対圧センサチップ１０の裏面の全面にダイボンド材２０を塗布した場合にダイヤフラム１３に生じる主応力の最大値を基準とした場合の主応力比として表わしたものである。

図６に示すように、絶対圧センサチップ１０の中心位置からダイボンド材２０までの距離が大きくなるにつれ（すなわち、ダイヤフラム１３からダイボンド材２０が遠ざかるにつれ）、ダイヤフラム１３に生じる主応力が減少する傾向にあることが理解される。また、上記距離比を１．０５倍以上に設定することにより、上述した基準となる主応力比に対してダイヤフラム１３に発生する主応力を約２４％以下に低減できることになり、上記距離比を１．１９倍以上に設定することにより、上述した基準となる主応力比に対してダイヤフラム１３に発生する主応力を約２０％以下に低減できることになり、上記距離比を２．００倍以上に設定することにより、上述した基準となる主応力比に対してダイヤフラム１３に発生する主応力を約９％以下に低減できることになり、上記距離比を３．１０倍以上に設定することにより、上述した基準となる主応力比に対してダイヤフラム１３に発生する主応力を約２％以下に低減できることになることが理解される。

したがって、以上の結果から、ダイヤフラム１３に生じる応力を相当程度軽減させるためには、ダイヤフラム１３を相似形に平面的に２倍の大きさに拡大した範囲の内側部分に対応した位置の絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａにダイボンド材２０の接触領域が位置していないことが好ましいと言える。このことは、図２を参照して、上述した第１領域Ａ１の外形線を当該第１領域Ａ１の中心を基準として相似形に平面的に２倍の大きさに拡大した仮想線Ｂを描いた場合に、ダイボンド材２０の接触領域が、当該仮想線Ｂよりも内側の範囲に位置せず、当該内側の範囲よりも外側にのみ位置することが好ましいと言い換えることができる。

（第１ないし第７変形例）
図７および図８は、第１ないし第７変形例における絶対圧センサの絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係、ダイヤフラムの形状およびダイボンド材の形状を示す模式図である。

図７および図８に示すように、第１ないし第７変形例における絶対圧センサ１Ａ〜１Ｇは、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が、第１領域Ａ１内に位置せず、第２領域Ａ２内にのみ位置するように構成されるとともに、当該接触領域が、全体として第１領域Ａ１を取り囲むように形成されている点において、上述した実施の形態１における絶対圧センサ１といずれも共通している。

図７（Ａ）に示すように、第１変形例における絶対圧センサ１Ａは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四隅に位置し、かつ、これら接触領域の形状が平面視円形状とされたものである。

図７（Ｂ）に示すように、第２変形例における絶対圧センサ１Ｂは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四隅の角部よりも所定の距離だけ対角線方向内側に入り込んだ部分に位置し、かつ、これら接触領域の形状が平面視略矩形状とされたものである。

図７（Ｃ）に示すように、第３変形例における絶対圧センサ１Ｃは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四辺の中央部分に位置し、かつ、これら接触領域の形状が平面視略矩形状とされたものである。

図７（Ｄ）に示すように、第４変形例における絶対圧センサ１Ｄは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四隅と当該裏面１１ａの四辺の中央部分とに位置し、かつ、これら接触領域の形状が平面視略矩形状とされたものである。

図７（Ｅ）に示すように、第５変形例における絶対圧センサ１Ｅは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四辺に沿ってループ状（枠状）に位置しているものである。

図７（Ｆ）に示すように、第６変形例における絶対圧センサ１Ｆは、絶対圧センサチップ１０が平面視円形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四辺に沿ってループ状（枠状）に位置し、かつ、この接触領域が第１領域Ａ１の外形線を当該第１領域Ａ１の中心を基準として相似形に平面的に２倍の大きさに拡大した仮想線Ｂの外側の範囲の全域に位置しているものである。

図８に示すように、第７変形例における絶対圧センサ１Ｇは、絶対圧センサチップ１０が平面視矩形状のダイヤフラム１３を有しており、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域が当該裏面１１ａの四隅に位置し、かつ、これら接触領域の形状が平面視略矩形状とされたものである。

このように、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域のレイアウトや形状は、当該接触領域が第１領域Ａ１内に位置せず、第２領域Ａ２内にのみ位置するように構成される限りにおいて、種々その変更が可能であり、当該条件を充足すれば、上述した実施の形態１において説明した効果と同様の効果が得られることになる。

（第２検証シミュレーション）
以下、検出精度の高精度化を図るに当たり、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域のレイアウトや形状を変更することでどのような違いが生じるかを検証した第２検証シミュレーションについて説明する。第２検証シミュレーションにおいては、絶対圧センサチップの裏面の全面にダイボンド材を塗布した絶対圧センサを比較例１としてモデル化するとともに、上述した実施の形態１、第３ないし第５変形例における絶対圧センサ１，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅをそれぞれ第１ないし第４実施例としてモデル化した。

図９ないし図１３は、第２検証シミュレーションにおいて、比較例１および実施例１ないし４に係る絶対圧センサの温度を変化させることによって絶対圧センサチップに生じる応力の分布を解析した結果をそれぞれ示す図である。なお、図９ないし図１３の（Ａ）は、比較例１および実施例１ないし４に係る絶対圧センサにおける絶対圧センサチップとダイボンド材との位置関係を模式的に示した図であり、図９ないし図１３の（Ｂ）は、それぞれ（Ａ）において示すＩＸＢ−ＩＸＢ線、ＸＢ−ＸＢ線、ＸＩＢ−ＸＩＢ線、ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線、ＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線に沿った絶対圧センサチップおよびダイボンド材の断面を示した図であり、図９ないし図１３の（Ｃ）は、それぞれ（Ａ）において示す領域ＩＸＣ、領域ＸＣ、領域ＸＩＣ、領域ＸＩＩＣ、領域ＸＩＩＩＣにおける解析結果を示した図である。

第２検証シミュレーションにおいては、それぞれのモデルの条件を上述した第１検証シミュレーションと基本的に同様の条件に設定した。したがって、第１検証シミュレーションと条件が異なる部分は、絶対圧センサチップ１０の裏面１１ａに対するダイボンド材２０の接触領域のレイアウトおよび形状のみである。

図９に示すように、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘにおいては、熱履歴が加えられることにより、絶対圧センサチップ１０の全体にわたって比較的大きな応力が発生しており、当該応力は、ダイヤフラム１３において最大となっていることが理解される。したがって、比較例に１に係る絶対圧センサ１Ｘとした場合には、センサ出力ヒステリシスが大きくなり、検出精度の高精度化が十分には達成できないことが理解される。

一方、図１０に示すように、実施例１に係る絶対圧センサ１においては、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘに比較して絶対圧センサチップ１０の全体にわたって応力が緩和されており、ダイボンド材２０が位置する部分の近傍において応力が最大となっており、特にダイヤフラム１３に発生する応力が劇的に低減されていることが理解される。したがって、実施例１に係る絶対圧センサ１とすることにより、センサ出力ヒステリシスが小さくなり、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

また、図１１に示すように、実施例２に係る絶対圧センサ１Ｃにおいても、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘに比較して絶対圧センサチップ１０の全体にわたって応力が緩和されており、ダイボンド材２０が位置する部分の近傍において応力が最大となっており、特にダイヤフラム１３に発生する応力が大幅に低減されていることが理解される。したがって、実施例２に係る絶対圧センサ１Ｃとすることにより、センサ出力ヒステリシスが小さくなり、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

さらに、図１２に示すように、実施例３に係る絶対圧センサ１Ｄにおいても、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘに比較して絶対圧センサチップ１０の全体にわたって応力が緩和されており、ダイボンド材２０が位置する部分の近傍において応力が最大となっており、特にダイヤフラム１３に発生する応力が低減されていることが理解される。したがって、実施例３に係る絶対圧センサ１Ｄとすることにより、センサ出力ヒステリシスが小さくなり、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

加えて、図１３に示すように、実施例４に係る絶対圧センサ１Ｅにおいても、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘに比較して絶対圧センサチップ１０の全体にわたって応力が緩和されており、ダイボンド材２０が位置する部分の近傍において応力が最大となっており、特にダイヤフラム１３に発生する応力が低減されていることが理解される。したがって、実施例４に係る絶対圧センサ１Ｅとすることにより、センサ出力ヒステリシスが小さくなり、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

図１４は、第２検証シミュレーションの結果に基づいて、比較例１および実施例１ないし３に係る絶対圧センサの絶対圧センサチップに生じる対角線方向に沿った応力の分布をまとめて示したグラフである。ここで、対角線方向とは、図９ないし図１３の（Ａ）において示すＩＸＢ−ＩＸＢ線、ＸＢ−ＸＢ線、ＸＩＢ−ＸＩＢ線、ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢ線、ＸＩＩＩＢ−ＸＩＩＩＢ線の延在方向である。なお、当該図１４においては、横軸が、絶対圧センサチップ１０の中心位置からの距離を、絶対圧センサチップ１０の中心位置からダイヤフラム１３の端部までの距離を基準とした場合の距離比にて表わしたものであり、縦軸が、絶対圧センサチップ１０のダイヤフラム１３に生じる主応力を表わしている。なお、縦軸は、常用対数を用いて表記している。

図１４に示すように、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘにおいては、ダイヤフラム１３に概ね５．２×１０^-2［ＭＰａ］程度の応力が生じているのに対し、実施例１に係る絶対圧センサ１においては、ダイヤフラム１３に生じる応力が２．７×１０^-6〜３．１×１０^-6［ＭＰａ］程度にまで劇的に低減されており、実施例２に係る絶対圧センサ１Ｃにおいては、ダイヤフラム１３に生じる応力が２．８×１０^-5〜３．３×１０^-5［ＭＰａ］程度にまで大幅に低減されており、実施例３に係る絶対圧センサ１Ｄにおいては、ダイヤフラム１３に生じる応力が１．０×１０^-2〜１．１×１０^-2［ＭＰａ］程度にまで低減されており、実施例４に係る絶対圧センサ１Ｅにおいては、ダイヤフラム１３に生じる応力が２．５×１０^-5［ＭＰａ］程度にまで大幅に低減されていることが理解される。

また、図１４に示すように、実施例１ないし４に係る絶対圧センサ１，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅにおいては、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘに比較して、フレーム１４に生じる応力についてもこれが概ね大幅に低減されていることが理解される。

したがって、上述したように、実施例１ないし４に係る絶対圧センサ１，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅとすることにより、比較例１に係る絶対圧センサ１Ｘとした場合に比べ、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

（第３検証シミュレーション）
以下、第２検証シミュレーションに関連し、ダイヤフラムの形状を矩形状とした場合の解析結果についても第３検証シミュレーションとして示す。第３検証シミュレーションにおいては、絶対圧センサチップの中心に所定の大きさおよび厚さの一辺の長さが等しい平面視矩形状（すなわち平面視正方形形状）のダイヤフラムを形成したと設定し、かつ、当該絶対圧センサチップの裏面の全面にダイボンド材を塗布した絶対圧センサを比較例２としてモデル化するとともに、同様の絶対圧センサチップを用い、絶対圧センサチップの裏面に対するダイボンド材の接触領域を図８に示した第７変形例における絶対圧センサ１Ｇの如くのレイアウトおよび形状に設定したものを実施例５としてモデル化した。なお、これらモデルにおけるダイヤフラムは、上述した第１検証シミュレーションにおけるダイヤフラムの半径を対角線の長さの半分とするものである。

第３検証シミュレーションにおいても、それぞれのモデルの条件を上述した第１検証シミュレーションと基本的に同様の条件に設定した。したがって、第１検証シミュレーションと条件が異なる部分は、上述したダイヤフラムの形状および大きさと、絶対圧センサチップの裏面に対するダイボンド材の接触領域のレイアウトおよび形状とのみである。

図１５は、第３検証シミュレーションの結果に基づいて、比較例２および実施例５に係る絶対圧センサの絶対圧センサチップに生じる対角線方向に沿った応力の分布をまとめて示したグラフである。なお、当該図１５においては、横軸が、絶対圧センサチップの中心位置からの距離を、絶対圧センサチップの中心位置からダイヤフラムの端部までの距離を基準とした場合の距離比にて表わしたものであり、縦軸が、絶対圧センサチップのダイヤフラムに生じる主応力を表わしている。なお、縦軸は、常用対数を用いて表記している。

図１５に示すように、比較例２に係る絶対圧センサにおいては、ダイヤフラムに概ね８．１×１０^-2〜９．７×１０^-2［ＭＰａ］程度の応力が生じているのに対し、実施例５に係る絶対圧センサにおいては、ダイヤフラムに生じる応力が１．７×１０^-3〜１．８×１０^-3［ＭＰａ］程度にまで低減されていることが理解される。

また、図１５に示すように、実施例５に係る絶対圧センサにおいては、比較例２に係る絶対圧センサに比較して、フレームに生じる応力についてもこれが大幅に低減されていることが理解される。

したがって、実施例５に係る絶対圧センサとすることにより、比較例２に係る絶対圧センサとした場合に比べ、検出精度の高精度化が実現できることが理解される。

（実施の形態２）
図１６は、本発明の実施の形態２における絶対圧センサの断面図である。次に、この図１６を参照して、本発明の実施の形態２における絶対圧センサについて説明する。

図１６に示すように、本実施の形態における絶対圧センサ１Ｈは、上述した実施の形態１における絶対圧センサ１と比較した場合に、パッケージ本体２の底面に凹部２ａが設けられている点において相違している。当該凹部２ａは、ダイボンド材２０が接触する部分のパッケージ本体２の表面に設けられており、ダイボンド材２０によって充填されている。

このように構成することにより、絶対圧センサ１Ｈの製造に際してパッケージ本体２にダイボンド材２０をディスペンスにより塗布する場合において、塗布の際の位置決めが容易に行なえるばかりでなく、塗布したダイボンド材２０が塗布すべき領域から食み出してしまうことが防止でき、作業性の向上と歩留まりの向上とが実現できることになる。したがって、生産性よく絶対圧センサを製造することができる。

加えて、上記のように構成することにより、絶対圧センサの厚みを増大させることなく、またダイボンド材２０にマイクロビーズを混入させることなく、ダイボンド材２０の厚みを十分に厚くすることが可能になり、温度変化に伴って生じるダイヤフラム１３への応力を軽減させることもできる。したがって、小型でかつ検出精度が高精度化した絶対圧センサとすることができる。

（実施の形態３）
図１７は、本発明の実施の形態３における絶対圧センサの断面図である。次に、この図１７を参照して、本発明の実施の形態３における絶対圧センサについて説明する。

図１７に示すように、本実施の形態における絶対圧センサ１Ｉは、上述した実施の形態１における絶対圧センサ１と比較した場合に、パッケージ本体２の底面がセラミックス材料または樹脂材料からなる素地が露出した部分と、当該素地が露出しておらず、導電パターン２ｂによって覆われた部分とを有している点において相違している。

素地が露出した部分は、ダイボンド材２０が接触する部分のパッケージ本体２の表面に設けられており、ダイボンド材２０によって覆われている。一方、導電パターン２ｂによって覆われた部分は、ダイボンド材２０が接触しない部分のパッケージ本体２の表面に設けられており、ダイボンド材２０によって覆われていない。

このように、パッケージ本体２の底面に素地が露出した部分と導電パターン２ｂによって覆われた部分とを設けた場合には、これら部分毎に当該底面における表面粗さが異なることになり、素地が露出した部分において表面粗さが導電パターン２ｂによって覆われた部分よりも粗くなる。そのため、ダイボンド材２０を塗布した場合におけるダイボンド材２０の濡れ広がりに差が生じることになる。

その結果、ダイボンド材２０を塗布すべき領域（すなわち、素地が露出した部分）にダイボンド材２０を供給した場合に、当該領域においてダイボンド材２０が留まり易くなって導電パターン２ｂ上への濡れ広がりが防止でき、塗布したダイボンド材２０が塗布すべき領域から食み出してしまうことが防止できる。したがって、作業性の向上と歩留まりの向上とが実現できることになり、生産性よく絶対圧センサを製造することができる。

加えて、上記のように構成することにより、導電パターン２ｂ上への濡れ広がりが防止できるため、ダイボンド材２０にマイクロビーズを混入させずともダイボンド材２０の厚みを十分に厚くすることが可能になり、温度変化に伴って生じるダイヤフラム１３への応力を軽減させることもできる。したがって、小型でかつ検出精度が高精度化した絶対圧センサとすることができる。

上述した本発明の実施の形態１ないし３およびその変形例において示した各種の材料や寸法、形状等はあくまでも例示に過ぎず、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述した本発明の実施の形態１ないし３およびその変形例において示した特徴的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当然にその組み合わせが可能である。

このように、今回開示した上記実施の形態およびその変形例はすべての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって画定され、また特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１，１Ａ〜１Ｉ 絶対圧センサ、２ パッケージ本体、２ａ 凹部、２ｂ 導電パターン、３ パッド電極、４ リッド接合部、５ 半田付けランド、６ コンタクト、７ リッド、８ ボンディングワイヤ、９ 半田、１０ 絶対圧センサチップ、１１ 裏面側基板、１１ａ 裏面、１２ 表面側基板、１２ａ 表面、１３ ダイヤフラム、１４ フレーム、１５ 真空チャンバ、１６ ピエゾ抵抗素子、１７ 導電パターン、１８ 感圧部、１９Ａ アナログ回路部、１９Ｂ デジタル回路部、１９Ｃ メモリ部、２０ ダイボンド材。

Claims (7)

1. 表面および裏面を有するチップ状の圧力センサチップと、
   前記圧力センサチップが搭載されたパッケージ本体と、
   前記圧力センサチップの前記裏面側において前記圧力センサチップと前記パッケージ本体との間に介在し、前記圧力センサチップを前記パッケージ本体に固定するダイボンド材とを備え、
   前記圧力センサチップは、内部に設けられた真空チャンバと、前記真空チャンバに接するように前記表面に設けられたダイヤフラムと、前記ダイヤフラムに設けられた感圧部とを含み、
   前記圧力センサチップの前記裏面は、当該裏面の法線方向に沿って見た場合に前記ダイヤフラムに重なる第１領域と、前記第１領域の周囲に位置する第２領域とを有し、
   前記圧力センサチップの前記裏面に対する前記ダイボンド材の接触領域が、前記第１領域内に位置しておらず、前記第２領域内にのみ位置し、
   前記パッケージ本体には、前記ダイボンド材によって充填された凹部が設けられ、
   前記ダイボンド材が、前記凹部内においてのみ前記パッケージ本体に接触している、半導体圧力センサ。
2. 前記第１領域の外形線を前記第１領域の中心を基準として相似形に平面的に２倍の大きさに拡大した仮想線を描いた場合に、前記接触領域が、前記仮想線よりも内側の範囲に位置しておらず、当該内側の範囲よりも外側にのみ位置している、請求項１に記載の半導体圧力センサ。
3. 前記接触領域が、前記圧力センサチップの前記裏面の法線方向に沿って見た場合に、全体として前記第１領域を取り囲むように点列状に形成されている、請求項１または２に記載の半導体圧力センサ。
4. 前記圧力センサチップの前記裏面が、矩形状であり、
   前記接触領域が、前記圧力センサチップの前記裏面の四隅にのみ位置している、請求項３に記載の半導体圧力センサ。
5. 前記接触領域が、前記圧力センサチップの前記裏面の法線方向に沿って見た場合に、前記第１領域を取り囲むようにループ状に形成されている、請求項１または２に記載の半導体圧力センサ。
6. 前記ダイボンド材が接触する部分の前記パッケージ本体の表面粗さが、その周囲に位置する部分の前記パッケージ本体の表面粗さよりも粗い、請求項１から５のいずれかに記載の半導体圧力センサ。
7. 前記ダイボンド材の弾性率が、前記ダイボンド材に接触する部分の前記圧力センサチップの弾性率よりも小さい、請求項１から６のいずれかに記載の半導体圧力センサ。

Images