JPH05288769A - 多次元半導体加速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン単結晶からなる制御基板を必要とせ
ず、製造が容易であると共に製品コストを低減できる多
次元半導体加速度センサを提供することを目的とする。 【構成】 シリコンからなる半導体チップ１にはその可
撓部１ｂの表面にピエゾ抵抗素子が設けられている。ま
た、半導体チップ１の中央の作用部１ａには、重錘体４
が接合されており、固定部１ｃには筒状の制御部材３が
接合されている。そして、この半導体チップ１は、固定
部１ｃに配設されたボンディングパッドに設けられたバ
ンプ（金属突起）５を介してアルミナ回路基板２に接続
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、その一部に重錘体が接
合された半導体ダイヤフラムの加速度による変形を感歪
抵抗ブリッジ回路で検出することにより加速度を検出す
る多次元半導体加速度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の多次元半導体加速度センサ
を示す断面図、図４は同じくその半導体チップを示す平
面図である（特開平3-2535号）。

【０００３】この種の多次元半導体加速度センサにおい
ては、半導体チップ１０、重錘体１１、ガラス台座１
２、下側制御基板１３及び上側制御基板１４によりセン
サチップが構成されており、このセンサチップがパッケ
ージ１８の凹部内に固定されている。そして、このセン
サチップは、パッケージ１８の上部を閉塞する蓋１９に
より封止されている。

【０００４】下側制御基板１３は、その下面側がパッケ
ージ１８に接合されており、その上面の中央部には凹部
１３ａが設けられている。この下側制御基板１３上に
は、ガラス台座１２が配置されている。ガラス台座１２
は筒状の部材であり、その下端部が下側制御基板１３の
上面周縁部に接合されている。

【０００５】半導体チップ１０は、作用部１０ａ、可撓
部１０ｂ及び固定部１０ｃにより構成されており、固定
部１０ｃの下面がガラス台座１２に接合されている。ま
た、可撓部１０ｂは、半導体チップ１０の下面側に選択
的に溝を設けて肉厚を薄くした部分であり、これにより
作用部１０ａに応力が印加された場合に、可撓部１０ｂ
が選択的に撓むようになっている。更に、作用部１０ａ
の下面には、重錘体１１が接合されている。この重錘体
１１は、ガラス台座１２の内側に宙吊りの状態で配置さ
れている。

【０００６】可撓部１０ｂには、例えば半導体チップに
不純物を選択的に導入し熱拡散させて形成したピエゾ抵
抗素子Ｒx1〜Ｒx4，Ｒy1〜Ｒy4，Ｒz1〜Ｒz4が設けられ
ており、これらの抵抗素子により感歪抵抗ブリッジ回路
が構成されている。この感歪抵抗ブリッジ回路の入出力
端は、半導体チップ１０の上面縁部に設けられたボンデ
ィングパッド１７に電気的に接続されており、このボン
ディングパッド１７は、パッケージ１８に固定されパッ
ケージ１８の外部に導出するリード１５の内側先端部に
ボンディングワイヤー１６を介して電気的に接続されて
いる。

【０００７】半導体チップ１０の上方には上側制御基板
１４が配置されている。この上側制御基板１４は、その
下面に凹部１４ａが設けられており、下面縁部が半導体
チップ１０の固定部１０ｃ上に接合されている。

【０００８】次に、このように構成された加速度センサ
の動作について説明する。

【０００９】加速度センサに加速度が加えられると、慣
性により、重錘体１１と半導体チップ１０との間に応力
が発生し、半導体チップ１０の可撓部１０ｂが機械的に
変形する。これにより、可撓部１０ｂに設けられたピエ
ゾ抵抗素子の電気的抵抗が変化する。この抵抗の変化を
外部の検出装置により検出することにより、加速度を検
出することができる。この場合に、Ｘ方向、Ｙ方向及び
Ｚ方向の各加速度成分を、夫々抵抗素子Ｒx1〜Ｒx4、Ｒ
y1〜Ｒy4及びＲz1〜Ｒz4により個別的に検出することが
できる。

【００１０】なお、加速度が大きい場合は、重錘体１１
に過度の外力が印加され、その結果可撓部１０ｂが大き
く変形して半導体チップ１０が破損することが考えられ
る。このような不都合を防止するために、上述の如く、
半導体チップ１０の上方及び下方には夫々上側制御基板
１４及び下側制御基板１３が配設されており、重錘体１
１の縦方向の移動範囲を規制するようになっている。ま
た、ガラス台座１２により、重錘体１１の横方向の移動
範囲が規制される。この場合に、重錘体１１の横方向の
移動範囲は重錘体１１とガラス台座１２との間の間隙に
より決定され、縦方向の移動範囲は下側制御基板１３及
び上側制御基板１４に設けられた凹部１３ａ，１４ａの
深さにより決定される。

【００１１】図５乃至図９は、上述した多次元半導体加
速度センサの製造方法を工程順に示す断面図である。

【００１２】先ず、図５に示すように、シリコンウエハ
２０の表面に不純物を選択的に導入して、ピエゾ抵抗素
子Ｒ及びこのピエゾ抵抗素子Ｒにより構成される感歪抵
抗ブリッジ回路を形成する。また、エッチング等によ
り、シリコンウエハ２０の下面側に、平面視でリング状
に溝２１を形成しシリコンウエハ２０の肉厚を部分的に
薄くして、可撓部２２を設ける。

【００１３】次に、図６に示すように、シリコンウエハ
２０の下面側に台座及び重錘体となるガラス板２３を陽
極接合法により接合する。このガラス板２３には、溝２
１に対応する溝２４が平面視で格子状に形成されてい
る。なお、シリコンウエハ２０には溝２１が設けられて
いるため、可撓部２２はガラス板２３から浮いた状態に
なる。

【００１４】次に、図７に示すように、ガラス板２３を
その下面側から溝２４に沿ってダイシングプレートで切
断する。これにより、ガラス板２３が、重錘体となる部
分２５と台座になる部分２６とに分離される。

【００１５】次に、図８に示すように、ガラス板２３の
下面に下側制御基板２７を陽極接合する。この制御基板
２７には、重錘体となる部分２５に対応する位置に凹部
２８が設けられている。従って、ガラス板２３は、台座
となる部分２６で制御基板２７に接合される。

【００１６】次に、図９に示すように、ウエハ２０上に
上側制御基板２９を接合する。この制御基板２９の下面
側には、可撓部及び固定部になる部分に整合して、凹部
３０が設けられている。

【００１７】次いで、シリコンウエハ２０、ガラス板２
３及び制御基板２７，２９からなる積層体を所定の形状
に切断することにより、各センサチップを相互に分離す
る。そして、図３に示すように、このセンサチップをパ
ッケージ１８内に接合し、半導体チップ１０のボンディ
ングパッドとパッケージ１８のリード１５とを電気的に
接続した後、パッケージ１８に蓋１９を接合することに
より、加速度センサが完成する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
多次元半導体加速度センサには、以下に示す問題点があ
る。即ち、上述した従来の加速度センサの製造方法にお
いては、陽極接合法により制御基板２７，２９をガラス
板２３又はウエハ２０に接合する必要上、制御基板２
７，２９としてシリコン単結晶基板が使用される。ま
た、フォトリソグラフィ法を使用し、このシリコン単結
晶基板をエッチング加工して凹部２８，３０を形成す
る。しかし、シリコン単結晶基板は高価であると共に、
エッチング加工作業が煩雑であるため、上述の方法によ
り製造された加速度センサには製品コストが高いという
欠点がある。

【００１９】また、重錘体の形状は例えば１辺が４ｍｍ
の正方形であり小型であるため、制御基板の重錘体制御
用凹部の寸法精度は、少なくとも０．０５ｍｍ程度は必
要であり、組み立て時の位置合わせが煩雑である。この
ため、従来の多次元半導体加速度センサは、量産した場
合の製造歩留りが低く、製品コストがより一層上昇する
という欠点もある。

【００２０】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、シリコン単結晶からなる制御基板を必要と
せず、製造が容易であると共に、製品コストを低減でき
る多次元半導体加速度センサを提供することを目的とす
る。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る多次元半導
体加速度センサは、作用部、この作用部の周囲に設けら
れてその表面にピエゾ抵抗素子が形成された可撓部及び
この可撓部の周囲に設けられてその表面上に前記ピエゾ
抵抗素子に電気的に接続されたボンディングパッドが配
設された固定部を備えた半導体チップと、前記ボンディ
ングパッドの表面上に設けられた金属突起と、この金属
突起を介して前記半導体チップに接続され前記半導体チ
ップを支持する回路基板と、前記作用部に接合された重
錘体とを有することを特徴とする。

【００２２】

【作用】本発明においては、半導体チップと回路基板と
が金属突起（以下、バンプという）を介して接続されて
いる。つまり、半導体チップは、バンプを介して回路基
板に電気的に接続されていると共に、このバンプを介し
て前記回路基板に支持されている。従って、本発明に係
る多次元半導体加速度センサにおいて、重錘体の縦方向
の移動範囲は、バンプの高さにより決定される。また、
重錘体の横方向の移動範囲は、例えば重錘体の側方に制
御部材を配設することにより決定することができる。

【００２３】本発明においては、上述の如く、バンプを
介して半導体チップを回路基板に接続する構造であり、
重錘体の移動範囲を規制するための制御部材としてシリ
コン単結晶等からなる制御基板を必要としない。このた
め、製造が容易であると共に、製品コストを低減するこ
とができる。

【００２４】

【実施例】次に、本発明の実施例について添付の図面を
参照して説明する。

【００２５】図１は、本発明の実施例に係る多次元半導
体加速度センサを示す断面図、図２は同じくその基板実
装前の状態を示す断面図である。

【００２６】シリコンからなる半導体チップ１は、従来
と同様に、作用部１ａ、可撓部１ｂ及び固定部１ｃによ
り構成されており、可撓部１ｂには複数個のピエゾ抵抗
素子（図示せず）が形成されている。そして、これらの
ピエゾ抵抗素子により感歪抵抗ブリッジ回路が構成され
ている。この感歪抵抗ブリッジ回路の入出力端は、固定
部１ｃの表面上に配設されたボンディングパッド６に電
気的に接続されている。

【００２７】この半導体チップ１は、ピエゾ素子形成面
を下側にして、アルミナ回路基板２上にバンプ５を介し
て実装（半田実装）されている。なお、バンプ５は、例
えばめっき法を使用することにより、ボンディングパッ
ド６上に容易に形成することができる。また、アルミナ
回路基板２には、所定のパターンで配線が設けられてい
る。更に、回路基板２としては、アルミナ以外に、一般
的な種々の材料を用いて形成することが可能である。

【００２８】半導体チップ１の中央の作用部１ａには、
重錘体４が接合されており、半導体チップ１の縁部の固
定部１ｃには、筒状の制御部材３が接合されている。こ
の制御部材３及び重錘体４は、例えば半導体チップ１に
ガラス板を接合し、このガラス板をダイシングすること
により同時に形成されたものである。

【００２９】このように構成された本実施例に係る多次
元半導体加速度センサにおいて、加速度が加えられる
と、慣性により、重錘体４と半導体チップ１との間に応
力が発生し、半導体チップ１の可撓部１ｂが変形して、
ピエゾ抵抗素子の抵抗値が変化する。この変化を検出器
で検出することにより、加速度を検出することができ
る。この場合に、重錘体４の横方向の移動範囲は、重錘
体４と制御部材３の内面との間隔により決定される。ま
た、重錘体４の縦方向の移動範囲は、バンプ５の高さに
より決定される。

【００３０】本実施例においては、半導体チップ１がバ
ンプ５を介してアルミナ回路基板２に接合されているた
め、従来必要であったシリコン単結晶からなる制御基板
が不要であり、製品コストを低減することができる。ま
た、制御基板をウエハに接合する工程（例えば、陽極接
合法による接合工程）も不要になり、製造が容易である
という利点もある。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る多次元
半導体加速度センサにおいては、半導体チップが金属突
起を介して回路基板に接合されているから、従来必要と
されていたシリコン単結晶からなる制御基板が不要とな
り、製造が容易になると共に、製品コストを低減するこ
とができるという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る多次元半導体加速度セン
サを示す断面図である。

【図２】同じくその基板実装前の状態を示す断面図であ
る。

【図３】従来の多次元半導体加速度センサを示す断面図
である。

【図４】同じくその半導体チップを示す平面図である。

【図５】多次元半導体加速度センサの製造方法の一工程
を示す断面図である。

【図６】同じくその一工程を示す断面図である。

【図７】同じくその一工程を示す断面図である。

【図８】同じくその一工程を示す断面図である。

【図９】同じくその一工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１，１０；半導体チップ １ａ，１０ａ；作用部 １ｂ，１０ｂ；可撓部 １ｃ，１０ｃ；固定部 ２；回路基板 ３；制御部材 ４；重錘体 ５；バンプ ６，１７；パッド １２；ガラス台座 １３，１４，２７，２９；制御基板 １８；パッケージ ２０；ウエハ ２３；ガラス板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 作用部、この作用部の周囲に設けられて
   その表面にピエゾ抵抗素子が形成された可撓部及びこの
   可撓部の周囲に設けられてその表面上に前記ピエゾ抵抗
   素子に電気的に接続されたボンディングパッドが配設さ
   れた固定部を備えた半導体チップと、前記ボンディング
   パッドの表面上に設けられた金属突起と、この金属突起
   を介して前記半導体チップに接続され前記半導体チップ
   を支持する回路基板と、前記作用部に接合された重錘体
   とを有することを特徴とする多次元半導体加速度セン
   サ。