JPH04312962A - 液体封止半導体装置及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体加速度セ
ンサなど、半導体素子部をパッケージ内に装着し、液体
を充満し封止した、液体封止半導体装置およびその組立
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パッケ−ジ内に半導体素子部が装着され
液体が充満されて封止されてなる半導体装置として、半
導体加速度センサの例を説明する。

【０００３】従来、半導体加速度センサは片持ばり構造
のセンシング部を有し、その片持ばりの共振による破損
や不必要な周波数の入力に対する応答を防ぐために、機
械的なハイカットフィルタとして、ダンピング液が用い
られており、半導体加速度センサのセンシング部を装着
したパッケージのベースにキャップをネジ止め結合し、
内部にダンピング液を封入していた。

【０００４】しかし、半導体加速度センサで自動車等の
加速度を検出する場合、周囲環境温度が−４０℃〜＋１
２０℃となり、その温度範囲でのダンピング液の膨脹・
収縮等が原因で、ベースとキャップの隙間からダンピン
グ液の漏れが生じたりした。

【０００５】従って、厳しい使用条件でもダンピング液
が漏れることのない、気密性の高いパッケージにする必
要があるが、しかし、気密性の高いパッケージを用いて
もダンピング液の膨脹による内圧の変化にためパッケー
ジが変形して容積が増大してしまい収縮時には真空部分
が発生し、これがセンシング部に悪影響を与える結果に
なる。また、この変形を避けるために、パッケージの剛
性を高め耐圧性を増せばよいが、製造コストが高くなる
だけなく、高温時のダンピング液の圧力が大変高くなる
ため、センシング部の作動に大きな影響を与え精度を狂
わす結果となる。

【０００６】これらの問題に対処するため、図８に示す
ような従来の半導体加速度センサがあった。

【０００７】図は、当該半導体加速度センサの概略を示
す縦断面図であり、１は金属等からなり外周部に溶接部
１ａが形成されたベース、２は金属等からなり、外周部
に溶接部２ａが形成されたキャップで、ベース１と合わ
されパッケージを構成する。

【０００８】キャップ２には、上面に注入孔２ｂおよび
空気孔２ｃが設けられ、内部に隔壁２ｄが形成されてい
る。３は、ベース１上に固着された台座、４は、一端が
台座３に接合され他端が自由端をなす片持ばりで、セン
シング部を構成する。

【０００９】５は、片持ばり４上に形成された検出素子
で、熱拡散またはイオン注入法により半導体ひずみゲー
ジが形成され、アルミニウム蒸着などにより形成された
配線により電気的に接続され、フルブリッジ回路を構成
している。

【００１０】６は、片持ばり４の自由端に設けられた重
り、７はベース１を貫通して外部に出されたリードピン
、８は、リードピン７をベース１に固定し封止するため
の硬質ガラス、９は、リードピン７と検出素子５とをワ
イヤボンディングする金またはアルミニウムからなるワ
イヤ、１０は、パッケージ内に封入されたシリコンオイ
ル等からなるダンピング液、１１は、パッケージ内に残
存する、パーケージ容積の約２０〜３０％の空気層であ
る。（空気層の位置は、パッケージをＡ側を上方にした
場合を示す）。

【００１１】このような半導体加速度センサにおけるパ
ッケージによる収容封止は、次のようにしていた。まず
、台座３が接合され片持ばり４が装着されたベース１の
溶接部１ａに、キャップ２の溶接部２ａを電気抵抗溶接
し、気密封止する。その後、注入孔２ｂからダンピング
液１０をパッケージ内容積の約７０〜８０％注入する。 その際、パッケージ内の空気は、空気孔２ｃから外部に
逃がし、約２０％〜３０％の空気層１１をパッケージ内
に残存させる。

【００１２】続いて、注入孔２ｂと空気孔２ｃを半田付
着により封止することにより、パッケージ内にはダンピ
ング液１０と残存の空気層１１が密閉される。

【００１３】このように構成された半導体加速度センサ
は。Ａ側を上方にして空気層１１が上部に位置するよう
にし、自動車などに取付けられる。片持ばり４の自由端
に加速度が加わると、半導体ひずみゲージの抵抗値が変
化し、フルブリッジ回路に不平衡電圧が生じ、その電圧
値に応じて検出加速度を検知する。

【００１４】さらに、自動車などに取り付けられた半導
体加速度センサにおいては、周囲環境温度が−４０℃〜
＋１２０℃の広範囲で変化するが、パッケージ内に空気
層１０が残存しているので、温度変化に伴ってダンピン
グ液１０が膨脹、収縮しても、空気層１１により吸収さ
れ、パッケージ内の圧力の増減が緩和され、接合部１ａ
，２ａなどからダンピング液１０の漏れもなく、気密性
の高いパッケージとなっていた。また、パッケージ内の
隔壁２ｄは、残存する空気層１１によって生じるダンピ
ング液９の波立ちや気泡が、片持ばり４に影響しないよ
うにするため設けられ、ノイズの原因となるのを防止し
ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の半
導体加速度センサでは、図８のように、パッケージのＡ
側を上方にし、センシング部を下部にし、空気層１１を
上部にするよう取り付けなければならず、取り付け方向
が限定されるという問題点があった。また、何かの要因
、例えば、当該センサが取り付けられた自動車が大きく
傾いて、空気層１１の一部が隔壁２ｄを越えて、下部の
センシング部のダンピング液１０内に混入したような場
合には、当該空気によりダンピング効果が減殺されてし
まうと共にノイズが発生しやすいという不都合があった
。また、その組立方法に関しても、従来の場合は、キャ
ップ２に隔壁２ｄを設ける工程と、一旦ベース１とキャ
ップ２を接合してパッケージを形成した後、パッケージ
内に空気層を設け、さらに注入孔２ｂと空気孔２ｃを封
止する作業工程が必要であり、製造工程が複雑となって
、製造コストが上昇するという問題点があった。

【００１６】本発明はこのような問題点を解消するため
になされたものであり、パッケージの取り付け方向に制
限がなく、厳しい使用環境下でも気密性が高いパッケー
ジを有し、安価な液体封止半導体装置およびその組立方
法を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明にかかる液体封止半導体装置は、半導体素子部と
、この半導体素子部が装着されたベースと、このベース
に接合され前記半導体素子部を覆うキャップと、前記ベ
ースとキャップからなるパッケージ内を充満する液体と
、前記パッケージ内に設けらた発泡材料と、この発泡材
料を前記パッケージ内に固定する固定具とを備える。

【００１８】また、本発明にかかる液体封止半導体装置
の組立方法は、キャップを準備する工程と、前記キャッ
プの内壁に発泡材料を固定具により取り付ける工程と、
前記キャップ内に液体を充満する工程と、前記キャップ
に、半導体素子部が搭載されたベースを装着する工程と
を備える。

【００１９】

【作用】本発明の液体封止半導体装置によれば、パッケ
ージ内に発泡材料を設けたので、環境温度が変化してパ
ッケージ内に充満された液体が膨脹・収縮しても、当該
発泡材料は内部に気泡を含んでいるのでその変形により
、前記液体の圧力の増減が緩和され、液体の漏れやパッ
ケージの変形を防止することができる。

【００２０】また、当該気泡は発泡材料内部に封じ込め
られ、パッケージ内部は液体で充満されているので、被
使用機器に対するパッケージの取り付け方向に制限がな
い。

【００２１】さらに、発泡材料は、固定具でパッケージ
内部に固定されているので、発泡材料が、半導体素子部
上に落下する等の恐れがない。

【００２２】また、本発明の組立方法によれば、液体注
入後注入孔と空気孔を封止する工程が必要ではないので
、少ない工程にて組立を完了することができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照し、本発明の実施例を詳細
に説明するが、本発明の技術的範囲がこれによって限定
されるものではないことはもちろんである。

【００２４】図３は、本実施例にかかる液体封止半導体
装置のベース部分を示す図であり、半導体装置として半
導体加速度センサの例が示されている。

【００２５】図において１２は、コバール，４２アロイ
，ＳＰＣなどからなり、外周部に溶接部１２ａが設けら
れたベースである。

【００２６】ベース１２には、シリコンなどからなる台
座１３が、エポキシ系やシリコン系接着剤、ろう付けな
どにより接合されている。

【００２７】台座１３には、シリコンなどからなる片持
ばり１４が一端部で陽極接合、低融点ガラスなどにより
接合され、他端部が自由端となっている。片持ばり１４
には、固定端子付近の加速度検出感度を上げるために、
エッチング処理された薄肉部１４ａが形成され、この薄
肉部１４ａには検出素子１５が形成されている。

【００２８】この検出素子１５は、半導体処理工程で半
導体ひずみゲージが形成され、Ｐ＋　高濃度領域、アル
ミニウム蒸着などからなる配線により電気的に接続され
、フルブリッジ回路を構成している。

【００２９】１６は、はんだ、コバール、４２アロイ、
Ａｕなどから形成され、片持ばり１４の自由端上に接合
された重りである。

【００３０】１７はリードピンであり、ベース１２を貫
通して外部に突出しており、このリードピン１７の周囲
とベース１２の貫通穴との間には硬質ガラス１８が充填
され、リードピン１７を固定すると共に電気絶縁をして
いる。

【００３１】リードピン１７と検出素子１５の電極とは
、アルミニウム線、金線などからなるワイヤ１９でワイ
ヤボンディングされている。

【００３２】尚、１７´は半導体加速度センサをプリン
ト基盤などに取り付けるための固定用ピンである。

【００３３】図１、図２に、組立後の半導体加速度セン
サの縦断面図を示す。両図において、説明の簡略化のた
めリードピン１７の内部突出部およびワイヤ１９は省略
されている。

【００３４】キャップ２０は、ベース１２と同じく、コ
バール，４２アロイ，ＳＰＣなどの金属からなり、その
周辺部には溶接部２０ａを有しており、この溶接部２０
ａをベース１２の溶接部１２ａと合わして溶接すること
により気密なパッケージが構成される。このパッケージ
内部にはシリコンオイルなどのダンピング液２１が充満
されている。２２は、環境温度の変化によるダンピング
液の膨脹・収縮に起因する圧力変化を緩和するための高
発泡のスポンジであり、シリコンゴム、フッ素ゴム、天
然ゴムなどの材質からなる。このスポンジ２２は、多数
の独立気泡を有しており、独立気泡の伸縮により上記圧
力変化を緩和する。

【００３５】このスポンジ２２をパッケージ内に固定す
る簡易な方法として図２に示すように接着剤２３にてキ
ャップ２０の上部内壁に固着する方法がある。しかし、
長時間使用する間に接着剤２３がダンピング液２１に浸
蝕され、あるいは、加工時に接着剤に異物が混入するこ
とにより接着力が低下して、キャップ２０から剥離する
おそれがある。スポンジが剥離して重り１６上に落下す
れば、片持ばり１４は自由に動くことができなくなり、
その結果検出素子１５で加速度を検出することが不可能
となる。また、一方で、組立工程において、スポンジ２
２をキャップ２０に接着剤２３でしっかりと固定するた
めにスポンジ２２を強くキャップ２０内面に押し付ける
必要があり、これによりスポンジ２２内の気泡が押し出
され、ダンピング液の圧力変化を緩和する効果が著しく
低減するという不都合がある。

【００３６】そこで、発明者はさらに改良を加えて、図
１に示す構造を提案するものである。即ち、スポンジ固
定具として内部キャップ２４を設け、これによりスポン
ジ２２を固定する構造である。これにより、接着剤２３
は必要でなくなるが、組立を容易にするため組立工程に
おけるスポンジの仮止め用として使用することを妨げる
ものではない。この場合、仮止めであるから、スポンジ
２２を固着のため強く押さえ付ける必要がなく、また、
一時的な接着でよいからどんな接着剤でもよく、また、
スポンジの当接部全面に接着剤を塗布する必要もない。

【００３７】尚、内部キャップ２４の素材は、ベース１
２やキャップ２０と同様な金属でもよいが、これに限ら
れるものではなく、使用するダンピング液に対して耐蝕
性があり、ある程度弾力性のあるものならなんでもよい
。

【００３８】図４にこの内部キャップ２４の斜視図を示
す。

【００３９】内部キャップ２４の上部には、スポンジ２
２とダンピング液２１との接触面を大きくして圧力変動
を吸収しやすくするため、窓２４ａが設けられ、側板は
、キャップ２０内壁の幅よりやや広く広がり、キャップ
２０内に挿入されたとき、バネ作用により嵌合部２４ｂ
がキャップ２０内壁にしっかりと押し付けられ固定され
るようになっている。

【００４０】次に図５のａ〜ｅ図に基づき、パッケージ
内にダンピング液２１を充満する工程を説明する。

【００４１】図５のａ図のように開口部を上方にしてキ
ャップ２０を置き、内部にスポンジ２２を入れる。この
際、スポンジ２２の下面の一部に接着剤を塗布しておき
、仮止めしておけば、次の工程のときにスポンジ２２の
位置を確認し調整する必要がなくなる。

【００４２】次にｂ図のように上方から内部キャップ２
４を嵌め込む。この際内部キャップ２４はバネ作用によ
り嵌合部２４ｂがキャップ２０の内壁にしっかり押さえ
付けられて固定される。

【００４３】続いて、ダンピング液２１を充満した後（
ｃ図）、台座１３、片持ばり１４などを装着したベース
１２を、ダンピング液２１が充填されたキャップ２０に
気泡が入り込まないようにして挿入する（ｄ図）。この
際、ベース１２に実装された部品の体積分の量のダンピ
ング液２１が溢れて外部に排出され、パッケージ内には
余計な気泡を含むことなくダンピング液２１が充填され
ることになる（ｅ図）。そこで、ベース１２の溶接部１
２ａとキャップ２０の溶接部２０ａとをスポット溶接機
、パラレルシームシーラ溶接機などを用いて気密溶接し
、組立てが完了する。

【００４４】尚、上記組立工程においては、先にスポン
ジ２２をキャップ２０内に入れておき、次に内部キャッ
プ２４を挿入する方法を示したが、内部キャップ２４の
上部に予めスポンジ２２を接着剤などで仮止めしておき
、内部キャップ２４とスポンジ２２を一度に挿入するよ
うにしてもよい。

【００４５】図６は本発明にかかる半導体加速度センサ
の別の実施例を示す図である。

【００４６】同図のａ図は、当該実施例にかかる半導体
加速度センサの縦断面図であり、内部の半導体素子など
は説明の簡略化のため省略されている。

【００４７】本実施例では、同図ｂ図に示すようにコの
字型に形成され上部に開口部を有するスポンジ２５を、
これに相似し、上部に同じく開口部を有する内部キャッ
プ２６で固定するようにしている。この場合内部キャッ
プ２６の両側板は若干内方に向いており、その下端でベ
ース１２の突起部１２ｂを挟むようにしており、これに
より内部キャップ２６がベース１２に保持されるように
なっている。

【００４８】この実施例によるとスポンジ２５の容積を
大きくできるだけではなく、ダンピング液２１がスポン
ジ２５の上部までおよぶことができるので、ダンピング
液２１とスポンジ２５の接触面が大きく、圧力変動を緩
和する効果を一段と増すことができ、当該半導体加速度
センサが、温度変化の特に激しい環境下で使用される場
合に極めて有用である。

【００４９】図７にさらに別の半導体加速度センサの実
施例を示す。

【００５０】図７のａ図は、当該別の実施例にかかる半
導体加速度センサの縦断面図であり、図６同様内部の半
導体素子などは、説明の簡略化のため省略される。

【００５１】本実施例においては、同図ｂ図に示すよう
に、キャップ２０の側面内周をカバーするように矩形に
形成されたスポンジ２７を、これに相似し、下部がフレ
アー状になった内部キャップ２８で固定するようになっ
ており、この場合内部キャップ２８の内面の下端部がベ
ース１２の突起部１２ｂと嵌合して保持されるようにな
っている。

【００５２】この実施例によってもスポンジ２５の容積
を大きくとれるので、図６の実施例と同様の効果を得る
ことができる。

【００５３】尚、スポンジの形状とこれを固定する内部
キャップの形状は、上述の実施例の形状に限られるもの
ではなく必要に応じて、設計変更できるものである。

【００５４】また、内部キャップは、上述の実施例に示
されるようにベース１２、もしくはキャップ２０に嵌合
保持される方が望ましいが、必ずしもそうである必要は
なく、要するに半導体センシング部に影響を与えない範
囲でスポンジを保持するようなものでればどんな形状で
もよい。

【００５５】また、ダンピング液の熱膨張による内圧上
昇の影響を最小限に押さえるため、組立てにおいて、あ
らかじめダンピング液の温度を使用温度範囲の上限にま
で上げておき、この状態で、キャップとベースを溶接部
で気密溶接するようにしてもよい。

【００５６】さらに、上記実施例では、半導体装置とし
て半導体加速度センサに付いて説明したが、半導体によ
る信号検出素子や電気信号処理素子などの半導体素子部
をパッケージ内に収容し、液体としてダンピング液のほ
か、絶縁油（電気的絶縁油または熱絶縁油）、圧力伝達
媒体液などをパッケージ内に封止した装置にもこの発明
は適用できる。また、挿入されるスポンジの弾性率およ
び、ダンピング液の粘性係数の選択により、伝達できる
圧力の周波数範囲を設定することも可能である。

【００５７】

【発明の効果】上述のように、本発明にかかる液体封止
半導体装置は、液体を充満したパッケージ内部に発泡材
料を挿入したので、温度変化の激しい使用条件下でも当
該液体の膨脹・収縮による圧力の変動を当該スポンジ材
が吸収して内部圧力が過大になるのを防止し、封止部か
らの液体の漏れやパッケージの変形を避けることができ
る。さらにこのスポンジを機械的に固定する固定具にて
パッケージ内に固定したので、内部液体の影響を受けて
スポンジが移動、落下することなく、半導体装置の作動
に悪影響を及ぼさない。また、被使用機器での取り付け
方向は一切限定されない。

【００５８】さらに、本発明にかかる液体封止半導体装
置の組立方法によれば、従来のように液体を注入孔から
パッケージ内部に注入してから、注入孔と空気孔を封止
するという面倒な手間が不要であり、しかも従来技術に
よれば注入時に内部に空気を２０〜３０％残存させるた
め精密な流量制御器が必要となるが、本発明によれば単
にパッケージに充満させればよいからそれ程精度は要求
されないため設備コストが安くつく。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る液体封止半導体装置の一実施例を
示す半導体加速度センサの縦断面図である。

【図２】図１において内部キャップを用いずに接着剤で
スポンジを固定した場合の半導体加速度センサの縦断面
を示す図である

【図３】図１における半導体加速度センサのベース部分
の斜視図である。

【図４】図１における半導体加速度センサの内部キャッ
プの斜視図である。

【図５】本発明に係る液体封止半導体装置の組立方法の
実施例を説明する図である。

【図６】本発明に係る半導体加速度センサの別の実施例
を示す図である。

【図７】本発明に係る半導体加速度センサのさらに別の
実施例を示す図である

【図８】従来の半導体加速度センサの縦断面を示す図で
ある。

【符号の説明】

１２　　ベース １３　　台座 １４　　片持ばり １５　　検出素子 １６　　重り １７　　リードピン ２０　　キャップ ２１　　ダンピング液 ２２，２５，２７　　スポンジ ２３　　接着剤 ２４，２６，２８　　内部キャップ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体素子部と、この半導体素子部が
   装着されたベースと、このベースに接合され前記半導体
   素子部を覆うキャップと、前記ベースとキャップからな
   るパッケージ内を充満する液体と、前記パッケージ内に
   設けらた発泡材料と、この発泡材料を前記パッケージ内
   に固定する固定具とを備える液体封止半導体装置。
2. 【請求項２】　　キャップを準備する工程と、前記キャ
   ップの内壁に発泡材料を固定具により取り付ける工程と
   、前記キャップ内に液体を充満する工程と、前記キャッ
   プに、半導体素子部が搭載されたベースを装着する工程
   とを備える液体封止半導体装置の組立方法。