JP7252048B2 - センサ装置およびセンサ装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、センサ装置およびセンサ装置の製造方法に関し、特にセンサ部を露出させる開口を備えながら、回路部を封止するセンサ装置およびその製造方法に関する。

近年、各種のセンサの需要は大幅に高まってきており、例えば車載センサとして、ヘッドライトを明るさに応じて点灯させる照度センサ、４輪のブレーキ、アクセルの制御を行うデータを提供するため、車の姿勢を検知するジャイロセンサ、或いはガソリンタンクの漏れを検知したり、着座している人を検知したりする圧力センサ等、多種多様のセンサが搭載されている。

また、最近の低燃費化の流れから、混合ガスを作る際に使用する空気の湿度を検出して、ガソリンと空気の混合比を変化させて低燃費化の対応を図る湿度センサも使用されている。この湿度センサについては、上記のようにエンジン周辺に配置されているものだけでなく、フロントガラスの曇り止めのためや、ガラス表面温度を熱伝導率が高い金属を介して測った温度測定結果と共に雰囲気湿度の測定結果をオートエアコンにフィードバックするシステム等に利用されている。このような車載品に限らず、民生品への新たなセンサの搭載も活発で、スマートフォン、歩数計等に絶対圧計を搭載し、そこから得られる絶対圧の情報から高度を割り出し、３軸加速度センサから歩数をカウントし、それに高度情報を加えることで正確な運動に伴う消費カロリーを算出するヘルスケア向けの展開も活発である。

さらに、世界的な環境問題に発展している中国のＰＭ２．５による健康への懸念のため、特に中国市場にて販売が好調である空気清浄機に温度、湿度センサは標準的に搭載されている。この湿度センサについては、湿度の感知方式の違いから抵抗式と静電容量式の２つがあるが、どちらも一般にＩＤＴ電極等に被覆させた感湿膜が雰囲気湿度によりに水分が吸着すると、電気的な容量が変化する特性（抵抗式では抵抗値の変化、静電容量式では容量値の変化）を利用したものである。この感湿膜には、有機膜、酸化膜などの様々な種類の材料が用いられており、有機膜としては、例えばポリイミドが用いられる。感湿膜は上記目的から、外気の雰囲気に曝す必要があり、従来は、キャビティ状のセラミックパッケージ等の中にセンサ素子を搭載し、外気導入孔を開けたセラミックリッド等の蓋を被せた中空パッケージを適用していた。

しかし、近年のコストダウンの流れから、リードフレーム等のインターポーザ上にセンサ素子を搭載し、一般的な樹脂モールドを行い、その際、チップ上の必要な感湿膜エリアのみを部分的に開口したセンサパッケージ（特許文献１）が上市されるようになった。

また、製造方法としては、多数個のチップを集合・形成した集合基板に一括して樹脂モールドを行い、その後、ダイシングソーを用いて切断して個片化するＭＡＰ（Mold Array Package）生産方式が採用されており、高い生産性と材料利用率を上げることによる低コスト化が図られている。

従来の開口を有するセンサ装置６００の構成を図８に示す。基板６０２上に、センサチップ６０４が実装され、これらセンサチップ上の一部（例えば、センサ部）の開口６０６の位置に金型突起部を押し当てた状態で、金型のキャビティ空間に樹脂６０３を流し込むことにより、各センサチップの外周部がモールド成型され、封止される。ポリイミド膜等の緩衝材６０５は、樹脂を流し込む際に、金型突起部の端部とセンサチップとの接触部位から樹脂がセンサ部に漏れないようにセンサチップ６０４の周縁部に設けられている。

このような樹脂モールドセンサパッケージの改良された製造方法としては、特許文献２に突起部を個別または数個ごとに移動可能とした金型を用いる方法が記載されている。

実用新案登録第３１７３００６号公報 特開２０１６－１５５３０１号公報

しかし、図８における緩衝材の形成は、センサチップのウエハプロセスにおいて、薄い皮膜を形成、仮乾燥させた後、露光、現像、加熱等の追加工程が必要であり、材料費、工程数の追加によって、コスト高となっている。さらに温度センサ等ではポリイミドなどの樹脂の使用は吸湿による外乱影響があり好ましくない。

また、緩衝材を用いない場合、開口の樹脂／センサ部表面界面からの水分侵入のリスクもあり、さらには開口金型とセンサのクリアランスを取る必要があり、小型化の障害となっている。

そこで、本発明は、上記問題点を解消し、センサ部を露出させる開口を備えた各種センサ装置であって、感度が高く、低コストで製造でき、小型化が可能な、信頼性の高いセンサ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者は、センサ領域を露出させる開口を有するセンサ装置において、上記目的を達成するため、樹脂モールドによる封止ではなく、センサ部を有するベース基板とセンサ部を露出させるための開口を有するリッド基板とを重ね合わせ、ベース基板とリッド基板とを、センサ部の外周部（すなわち、開口の外周部）とベース基板の周縁部において気密に接合することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
［１］センサ部を露出させるための開口を備えたセンサ装置であって、
センサ部を有するベース基板と、センサ部を露出するための開口を備えたリッド基板とを有し、前記ベース基板と前記リッド基板とが、前記センサ部の外周部および前記ベース基板の周縁部において気密に接合されているセンサ装置、
［２］前記ベース基板と前記リッド基板とが金属バンプを介して接合されている上記［１］記載のセンサ装置、
［３］前記センサ部と接続された回路部をさらに有し、前記回路部の接続部が前記センサ部の外周部と前記ベース基板の周縁部との間の前記ベース基板の表面に形成されている上記［１］または［２］記載のセンサ装置、
［４］前記ベース基板、前記リッド基板、および前記ベース基板と前記リッド基板との接合部で囲まれた領域に接続電極および貫通電極が形成され、ベース基板裏面に形成される接続端子に接続される上記［１］～［３］のいずれかに記載のセンサ装置、
［５］（Ａ）センサ部がマトリクス状に形成される第１集合基板を準備する工程と、
（Ｂ）前記第１集合基板上に重ねられた場合に前記センサ部を露出させる開口がマトリクス状に形成される第２集合基板を準備する工程と、
（Ｃ）前記第１集合基板と前記第２集合基板とを、前記センサ部と前記開口とが一致するように重ね合わせ、前記センサ部の外周部、および前記第１集合基板および前記第２集合基板の切断予定領域の前記センサ部側の前記センサ部を囲む領域で接合する工程、
（Ｄ）前記第１集合基板および前記第２集合基板を前記切断予定領域で切断し、個片化する工程と
を含むセンサ装置の製造方法、
［６］前記第１集合基板の前記センサ部の外周部および前記切断予定領域の前記センサ部側の領域と、前記第２集合基板の前記開口の外周部および前記切断予定領域の前記開口側の領域とを金属バンプを介して接合する上記［５］記載のセンサ装置の製造方法、
［７］前記金属バンプに囲まれた領域に処理回路を形成する工程を含む上記［６］記載のセンサ装置の製造方法、
［８］前記第１集合基板および前記第２集合基板がシリコン基板からなる上記［５］～［７］のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法、
［９］前記第１集合基板および前記第２集合基板の切断の際に、前記切断予定領域の前記第１集合基板と前記第２集合基板との間に充填剤を配置する［５］～［８］のいずれかに記載のセンサ装置の製造方法
に関する。

本発明によれば、センサ部を有するベース基板と、センサ部を露出するための開口を備えたリッド基板とを有し、前記ベース基板と前記リッド基板とが、前記センサ部の外周部および前記ベース基板の周縁部において気密に接合されているセンサ装置とすることにより、センサ部を露出させた、感度が高く、低コストで製造でき、小型化が可能な、信頼性の高い物理量検出が可能となる。

また、本発明のセンサ装置の製造方法によれば、（Ａ）センサ部がマトリクス状に形成される第１集合基板を準備する工程と、（Ｂ）前記第１集合基板上に重ねられた場合に前記センサ部を露出させる開口がマトリクス状に形成される第２集合基板を準備する工程と、（Ｃ）前記第１集合基板と前記第２集合基板とを、前記センサ部と前記開口とが一致するように重ね合わせ、前記センサ部の外周部、および前記第１集合基板および前記第２集合基板の切断予定領域の前記センサ部側の前記センサ部を囲む領域で接合する工程と、（Ｄ）前記第１集合基板および前記第２集合基板を前記切断予定領域で切断し、個片化する工程とを含むものとすることにより、感度が高く、信頼性の高い小型のセンサ装置を低コストで製造することができる。

本発明の一実施態様であるセンサ装置の平面説明図である。 図１のセンサ装置のII－II断面の説明図である。 図１または２のセンサ装置のリッド基板と、ベース基板との分解斜視図である。 センサ装置のベース基板の第１集合基板の一実施態様を示す説明図である。 センサ装置のリッド基板の第２集合基板の一実施態様を示す説明図である。 図４の第一集合基板と図５の第２集合基板とを接合させたセンサ装置集合基板を示す説明図である。 図６のセンサ装置集合基板を個片化して得られたセンサ装置のリッド基板と、金属バンプと、ベース基板との分解斜視図である。 従来の開口を有するセンサ装置の断面説明図である。

本発明のセンサ装置について、添付の図１～３を参照して説明するが、本発明はこれらの形態に限定されるものではなく、以下に説明する部材、材料等は、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。また、図面において、同一符号は同等あるいは同一のものを示す。

図１は本発明の一実施態様であるセンサ装置のリッド基板側から見た平面説明図であり、そのII－II断面図である図２と、分解斜視図である図３と共に本発明のセンサ装置を説明する。センサ装置１００は、ベース基板１０１の中央に検出部であるセンサ部１０３を備え、センサ部１０３は、リッド基板１０２に設けられた開口１０４により露出しており、ベース基板１０１上の接続電極１０７や貫通電極１０９などは、センサ部の外周部およびベース基板の周縁部の接合材（１０５、１０６）でリッド基板１０２により封止されている。そして、ベース基板１０１には、その裏面に接続電極端子１０８が設けられ、貫通電極１０９によりベース基板上の接続電極１０７と接続することができる。

本発明の一実施態様においては、センサ装置は、センサ部１０３と接続された、例えばセンサ部の制御回路やセンサ部から出力される信号の処理回路等を含む回路部をさらに有し（図示せず）、回路部の接続部がセンサ部１０３の外周部とベース基板の周縁部との間のベース基板１０１の表面に形成されており、図２および図３中の接続電極１０７などが相当する。また。別の実施態様において、ベース基板１０１、リッド基板１０２、およびベース基板と前記リッド基板との接合部（１０５、１０６）で囲まれた領域に接続電極１０７および貫通電極１０９が形成され、ベース基板１０１裏面に形成される接続端子１０８に接続される。

ベース基板１０１の材質は、目的とする物理量検出に影響を及ぼさない絶縁性の材料であれば、特に限定されるものではなく、例えば、セラミックス、ガラス、シリコン、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化樹脂、ＵＶ硬化樹脂などの合成樹脂材料などが挙げられる。また、センサの感度の観点からはシリコン、セラミックまたはガラスなどの吸湿等の影響を受けない材料が好ましく、またセンサ装置に処理回路などの回路部を内蔵させる場合には、シリコンが最も好ましい。

ベース基板１０１の形状は、特に限定されるものではなく、矩形、円形、楕円形などとすることができる。

リッド基板１０２の材質は、上述のベース基板１０１と同様の材料から選択することができる。センサの感度の観点からはシリコン、セラミックまたはガラスなどの吸湿等の影響を受けない材料が好ましい。また、製造上の観点からは、開口１０４を容易に作製できる材料や、ベース基板１０１となる第１集合基板と同じ材料を用いることが好ましい。

センサ部１０３は、検出対象である物理量を検出する領域（センシング領域）であり、その構造は、特に限定されるものではなく、検出対象に適した構造が採用される。本発明の態様によれば、センサ部１０３をすべて外部に露出させることが可能である。センサ部１０３は、ベース基板１０１上に直接形成してもよく、あるいは別部材で作製したセンサ素子としてベース基板１０１に実装させてもよい。

開口１０４は、センサ部１０３を露出させるためのものであり、貫通穴である。センサ部全体を露出させるように、センサ部の形状にあわせたセンサ部よりも一回り大きなものが好ましい。センサ部以外の領域の活用のためには、開口は大き過ぎないことが好ましい。

接続電極１０７、接続端子１０８および貫通電極１０９としては、公知の電極材料を用いることができ、例えば、銅、アルミニウム、金、白金、クロム、ニッケル、チタンからなる材料が挙げられる。

また、貫通電極１０９は、例えば、ドライエッチングで貫通孔を開けたのち、貫通孔壁面を酸化し、金属（金等）メッキや導電性ポリシリコン等の導電性物質を埋め込むことによって形成されており、この導電性物質の充填により気密に保たれる。

ベース基板１０１とリッド基板１０２とは、接合材（１０５、１０６）によりセンサ部の外周部とベース基板の周縁部とで接合されている。接合材（１０５、１０６）としては、低融点金属、例えばＡｕ－Ｓｎ合金、Ａｕ－Ｐｂ合金、Ａｇ、Ａｕなどの金属などを使用することができ、例えば、ベース基板１０１およびリッド基板１０２の対応する領域に金属膜を設け、金属バンプを介して接合することができる。これにより、ベース基板１０１、リッド基板１０２、およびベース基板１０１とリッド基板１０２との接合部で囲まれた領域はより気密性が高まり、水分侵入のリスクは軽減されたものになる。したがって、このベース基板１０１、リッド基板１０２、およびベース基板１０１とリッド基板１０２との接合部で囲まれた領域には、ベース基板の表面に回路部を設けることができる。

本発明のセンサ装置の製造方法は、（Ａ）センサ部がマトリクス状に形成される第１集合基板を準備する工程と、（Ｂ）第１集合基板上に重ねられた場合にセンサ部を露出させる開口がマトリクス状に形成される第２集合基板を準備する工程（Ｃ）第１集合基板と第２集合基板とを、センサ部と開口とが一致するように重ね合わせ、センサ部の外周部、および第１集合基板および第２集合基板の切断予定領域のセンサ部側のセンサ部を囲む領域で接合する工程、（Ｄ）第１集合基板および第２集合基板を切断予定領域で切断し、個片化する工程とを含むセンサ装置の製造方法であることを特徴とする。また、上記センサ装置についての説明は、センサ装置の製造方法の説明においても適用されるものとする。

以下、図４～７を用いて本発明のセンサ装置の製造方法の一実施態様を説明するが、図４～７は、第１集合基板２００のセンサ部１０３の外周部および切断予定領域４００のセンサ部側の領域に第１金属膜１０５ａおよび第２金属膜１０６ａをそれぞれ形成しておき、第２集合基板３００の開口１０４の外周部および切断予定領域４００の開口側の領域に第３金属膜１０５ｂおよび第４金属膜１０６ｂをそれぞれ形成しておき、金属バンプ（１０５、１０６）を介して第１集合基板２００と第２集合基板３００とを接合するセンサ装置の製造方法の一例である。

まず、センサ部１０３がマトリクス状に形成される第１集合基板２００を準備する。第１集合基板２００には、センサ部１０３とセンサ部の外周部に形成された第１金属膜１０５ａ（図７参照）と、ベース基板周囲に形成された第２金属膜１０６ａ（図７参照）とを備える複数のベース基板１０１が、切断予定領域４００を介して連続してマトリクス状に形成されている（図４参照）。センサ部１０３は、ベース基板１０１上に直接形成してもよく、あるいは別部材で作製したセンサ素子としてベース基板１０１に実装させてもよい。また、第１集合基板におけるベース基板１０１のマトリクスのピッチは、センサ装置に適した大きさとなるように、適宜設定することができる。金属膜は、スパッタリング法、真空蒸着法、めっき法、種々の印刷法などにより成膜・パターン形成することができる。これらの方法は、一般的な半導体装置の製造工程で用いられる方法と同じ方法となる。なお、図４においては、センサ部外縁部に形成される第１金属膜１０５ａおよびベース基板周囲に形成される第２金属膜１０６ａは、その上に接合材としての金属バンプ（１０５、１０６）が設けられているため、図示されていない。

また、第１集合基板２００の各ベース基板１０１上には、第１金属膜１０５ａおよび第２金属膜１０６ａに囲まれた領域に、接続電極１０７および貫通電極１０９を形成し、ベース基板１０１の裏面に接続端子１０８を形成する。接続電極１０７は、センサ部と貫通電極とを接続させるために設けられる。センサ部１０３と接続電極１０７との接続は、例えば、センサ部１０３の下部、ベース基板内を通り、ベース基板１０１の表面で接続電極１０７に接続される。接続電極１０７および接続端子１０８の形状は、特に限定されるものではないが、センサ装置の小型化の観点から平板状、または薄膜状であることが好ましく、スパッタリング法、真空蒸着法、めっき法、種々の印刷法などにより成膜・パターン形成することができる。これらの方法は、一般的な半導体装置の製造工程で用いられる方法と同じ方法となる。

貫通電極１０９の形成は、上述したように、例えば、ドライエッチングで貫通孔を開けたのち、貫通孔壁面を酸化し、金属（金等）メッキや導電性ポリシリコン等の導電性物質を埋め込むことによって形成されており、この導電性物質の充填により気密に保たれる。

金属バンプ１０５、１０６は、第１集合基板２００および第２集合基板３００のいずれに形成してもよい。第１集合基板２００に形成する場合には、センサ部１０３の外周部および切断予定領域４００のセンサ部側の領域にそれぞれ形成される第１金属膜１０５ａおよび第２金属膜１０６ａのそれぞれに金属バンプ（１０５、１０６）が形成される。金属バンプの製造方法は、例えば、ペースト状にしてスクリーン印刷法やメッキ法などによって形成される。

一方、第１集合基板上に重ねられた場合に前記センサ部を露出させる開口がマトリクス状に形成される第２集合基板３００を準備する。第２集合基板３００には、ベース基板１０１のマトリクスと縦横それぞれ同じピッチで複数のリッド基板１０２を切断予定領域４００を介して連続してマトリクス状に形成し、第１集合基板２００上に重ねられたとき、センサ部１０３を露出させる開口１０４を備える（図５参照）。第２集合基板３００におけるリッド基板１０２のマトリクス形状を第１集合基板２００におけるベース基板１０１のマトリクス形状と縦横それぞれ同じピッチとすることにより、第１および第２の集合基板（２００、３００）同士を重ねあわせて金属バンプ（１０５、１０６）を介して接合し、複数のセンサ装置１００が切断予定領域４００を介して連続してマトリクス状に形成されたセンサ装置集合基板５００（図６）を得ることができる。

第２集合基板３００の各リッド基板２０１に形成される、センサ部１０３を露出させる開口１０４は、第２集合基板３００を金型形成により作製する場合には、基板の作成と同時に形成することができる。また、開口１０４は、第２集合基板３００を用意した後、機械加工などにより形成してもよい。

本発明の一実施態様においては、ベース基板１０１を有する第１集合基板２００の、センサ部１０３の外周部に形成される第１金属膜１０５ａおよび切断予定領域４００のセンサ部側の領域に形成される第２金属膜１０６ａにより囲まれた領域に、処理回路などの回路部の回路パターンが形成される（図示せず）。

得られたセンサ装置集合基板５００は、切断予定領域４００で切断し、個片化する（図６参照）。この工程は、公知のダイシングソーなどを用いて、例えば図６の切断予定領域４００にダイシングソーを走行させることにより、切断予定領域４００を除去することで行うことができる。ここで、第２集合基板３００に設けられている開口１０４は、本工程の前に、開口面をシート材で被覆し、本工程においてセンサ装置集合基板５００を第１集合基板２００側からシート材を切断しないように切断することが好ましい。このように開口１０４をシート材で被覆することにより、個片化が容易となるのみならずセンサ部への異物の混入を防ぐことができる。なお、図７は、個片化されたセンサ装置のリッド基板と、接合材と、ベース基板との分解斜視図を示している。

本発明の一実施態様においては、第１集合基板と第２集合基板とを接合した後、第１集合基板と第２集合基板との切断の際に、切断予定領域４００の第１集合基板と第２集合基板との間に充填剤を配置する。充填剤としては、シリコーン樹脂など各種接着部材などを用いることができる。

また、個片化後、電気的検査やセンサのキャリブレーションを行う場合には、上述したように開口をシート材で被覆した後、センサ装置集合基板の第１集合基板側の面にもシート材を貼り付け、第２集合基板側から第１集合基板に貼られたシート材を切断しないように切断し、その後、第２集合基板に貼られたシート材を剥離し、センサ表面を露出させ、センサ装置が、第１集合基板に貼られたシート材に整列配置された状態で行うことが好ましい。

シート材としては、ポリ塩化ビニル基材あるいはポリオレフィン基材上にＵＶ硬化または加熱により接着力を無くすことのできる接着層を備えたダイシングテープなどが好ましく用いられる。

センサ装置１００による測定対象は、特に限定されるものではないが、光、温度、湿度、圧力、位置、抵抗、電気的容量、各種化学物質等などが挙げられ、特に検出部を完全に露出できることから、光、温度、湿度などの検出に有利である。

１００ センサ装置
１０１ ベース基板
１０２ リッド基板
１０３ センサ部
１０４ センサ部を露出させるための開口
１０５ 接合材
１０６ 接合材
１０５ａ センサ部の外周部に形成された第１金属膜
１０５ｂ 開口の外周部に形成された第３金属膜
１０６ａ 切断予定領域のセンサ部側の領域に形成された第２金属膜
１０６ｂ 切断予定領域の開口側の領域に形成された第４金属膜
１０７ 接続電極
１０８ 接続端子
１０９ 貫通電極
２００ 第１集合基板
３００ 第２集合基板
４００ 切断予定領域
５００ センサ装置集合基板
６００ センサ装置
６０１ 導電領域
６０２ 基板
６０３ 樹脂
６０４ センサチップ
６０５ ポリイミド樹脂
６０６ センサ領域を露出させるための開口

Claims (9)

1. センサ部を露出させるための開口を備えたセンサ装置であって、
   センサ部を有するベース基板と、センサ部を露出するための開口を備えたリッド基板とを有し、前記ベース基板と前記リッド基板とが、前記センサ部の外周部および前記ベース基板の周縁部において気密に接合されているセンサ装置。
2. 前記ベース基板と前記リッド基板とが金属バンプを介して接合されている請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記センサ部と接続された回路部をさらに有し、前記回路部の接続部が前記センサ部の外周部と前記ベース基板の周縁部との間の前記ベース基板の表面に形成されている請求項１または２記載のセンサ装置。
4. 前記ベース基板、前記リッド基板、および前記ベース基板と前記リッド基板との接合部で囲まれた領域に接続電極および貫通電極が形成され、ベース基板裏面に形成される接続端子に接続される請求項１～３のいずれか１項に記載のセンサ装置。
5. （Ａ）センサ部がマトリクス状に形成される第１集合基板を準備する工程と、
   （Ｂ）前記第１集合基板上に重ねられた場合に前記センサ部を露出させる開口がマトリクス状に形成される第２集合基板を準備する工程と、
   （Ｃ）前記第１集合基板と前記第２集合基板とを、前記センサ部と前記開口とが一致するように重ね合わせ、前記センサ部の外周部、および前記第１集合基板および前記第２集合基板の切断予定領域の前記センサ部側の前記センサ部を囲む領域で接合する工程、
   （Ｄ）前記第１集合基板および前記第２集合基板を前記切断予定領域で切断し、個片化する工程と
   を含むセンサ装置の製造方法。
6. 前記第１集合基板の前記センサ部の外周部および前記切断予定領域の前記センサ部側の領域と、前記第２集合基板の前記開口の外周部および前記切断予定領域の前記開口側の領域とを金属バンプを介して接合する請求項５記載のセンサ装置の製造方法。
7. 前記金属バンプに囲まれた領域に処理回路を形成する工程を含む請求項６記載のセンサ装置の製造方法。
8. 前記第１集合基板および前記第２集合基板がシリコン基板からなる請求項５～７のいずれか１項に記載のセンサ装置の製造方法。
9. 前記第１集合基板および前記第２集合基板の切断の際に、前記切断予定領域の前記第１集合基板と前記第２集合基板との間に充填剤を配置する請求項５～８のいずれか１項に記載のセンサ装置の製造方法。

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