JPWO2007020701A1 - 加速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

加速度センサ装置１０は、基板１２上に下面を固定された加速度センサチップ２０がモールド樹脂２２によって封止された加速度センサ装置である。加速度センサチップ２０は、錘部２８が印加された加速度に応じて揺動する空間が気密にされており、モールド樹脂２２と加速度センサチップ２０との間に、加速度センサチップ２０の側面および上面を覆う緩衝部材２４が設けられている。

Description

本発明は、加速度センサチップをモールド樹脂により封止した加速度センサ装置に関する。

従来、自動車に搭載されるエアバッグシステムなどにおいて、加速度センサが用いられている。また、近年では加速度センサの小型化や省電力化によって、携帯電話などの小型情報端末にも加速度センサが搭載されるようになってきている。

加速度センサの動作原理は種々の方法が提案されているが、その１つとしてピエゾ抵抗効果を利用したピエゾ抵抗型加速度センサが知られている。ピエゾ抵抗型加速度センサでは、シリコン基板をエッチングによって加工することで、錘部と、その錘部を支持する梁部を形成し、その梁部に、応力が加わるとその抵抗値が変化するピエゾ抵抗を形成する。そして、このような構造の加速度センサ素子に加速度が印加されると、錘部の慣性力により梁部が撓み、ピエゾ抵抗の抵抗値が変化するので、加速度に応じた電気信号を取り出すことができる。

このような加速度センサ素子と、加速度センサ素子から出力された電気信号を処理する集積回路チップとを一体化した加速度センサ装置では、加速度センサ素子の錘部が揺動する空間を確保する必要がある。そのため、従来、加速度センサ装置は、金属や、セラミックのパッケージを用いて気密封止を行っていた（たとえば特許文献１）。

特開平７−１２０４９２号公報

しかしながら、金属や、セラミックのパッケージを用いて気密封止を行う場合、部品点数が増え、また気密封止工程が必要となるため、加速度センサ装置のコストが高くなる。加速度センサ装置を低コスト化するためには、モールド樹脂により加速度センサ素子を封止するパッケージ構造が考えられるが、この場合、加速度センサ素子の錘部がモールド樹脂によって固定されない構造をとる必要がある。

また、加速度センサ素子をモールド樹脂によって封止する場合、外部環境の温度変化によるモールド樹脂の収縮または膨張による影響を考慮する必要がある。すなわち、温度変化によりモールド樹脂が収縮または膨張し、応力が加速度センサ素子に加わった場合、加速度センサ素子の梁部が撓み、ピエゾセンサ素子の抵抗値が変化してしまうので、検出対象である加速度を正確に検出することが難しくなり、加速度センサ装置の出力特性が劣化してしまう。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、出力特性を損なうことなく、モールド樹脂によって封止を行うことによって、低コストな加速度センサ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の加速度センサ装置は、基板上に下面を固定された加速度センサチップがモールド樹脂によって封止された加速度センサ装置であって、加速度センサチップは、錘部が印加された加速度に応じて揺動する空間が気密にされており、モールド樹脂と加速度センサチップとの間に、加速度センサチップの側面および上面を覆う緩衝部材が設けられている。

この態様によると、加速度センサチップとモールド樹脂との間に緩衝部材を設けているので、緩衝部材がモールド樹脂の収縮または膨張によって生ずる応力を緩和する。その結果、加速度センサチップの歪みを抑制するので、出力特性の劣化を防止することができる。

加速度センサチップは、枠体と、枠体の内側面から枠体の内側方向に延設された梁部と、梁部の下面の一部から下方に延びる錘部と、を有する加速度センサ素子と、枠体の上面の開口部を覆う上面封止体と、枠体の下面の開口部を覆う下面封止体と、を備え、梁部の上面は枠体の上面から離間しており、かつ錘部の下面は枠体の下面から離間していてもよい。

この場合、梁部の上面は枠体の上面から離間しており、かつ錘部の下面は枠体の下面から離間しているので、平坦な上面封止体および下面封止体で枠体の開口部を覆っても、錘部が揺動する空間を確保することができる。上面封止体および下面封止体によって錘部が揺動する空間は気密にされるので、この空間に緩衝部材やモールド樹脂が流れ込み、錘部の揺動を妨げることを防ぐことができる。また、上面封止体および下面封止体は、錘部が揺動する範囲を制限するストッパーとしても機能し、過度の加速度が印加された場合に梁部が破壊されることを防止することができる。

枠体の上面から梁部の上面までの距離と、枠体の下面から錘部の下面までの距離が略同一であってもよい。この場合、加速度が印加されたときに、上下方向に同程度の揺動を許容することができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、出力特性を損なうことなく、モールド樹脂により封止を行った加速度センサ装置を提供することができる。

本発明の実施の形態にかかる加速度センサ装置の断面図である。 加速度センサチップの斜視図である。 加速度センサ素子の斜視図である。 複数の種類のセンサを１パッケージ化したマルチセンサ装置を示す図である。 マルチセンサ装置の製造工程を示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 加速度センサ装置、 １２ 基板、 １４ 上面封止体、 １６ 加速度センサ素子、 １８ 下面封止体、 ２０ 加速度センサチップ、 ２２ モールド樹脂、 ２４ 緩衝部材、 ２６ 梁部、 ２８ 錘部、 ３０ 枠体、 ３２ ボンディングパッド、 ３４ ワイヤ、 ３８ 半田ボール、 ４０ 信号処理チップ、 ４２ ピエゾ抵抗素子、 ５０ 磁気センサチップ、 ６０ 圧力センサチップ、 ６２ 圧力伝達部材、 １００ マルチセンサ装置。

図１は、本発明の実施の形態にかかる加速度センサ装置１０の断面図である。加速度センサ装置１０は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）タイプの加速度センサ装置である。加速度センサ装置１０は、たとえば、携帯電話などの小型情報端末に搭載され、小型情報端末の揺れを検出することによって、その傾きを検出するなどの用途に利用される。

加速度センサ装置１０は、図１に示すように、基板１２上に下面を固定された加速度センサチップ２０と、信号処理チップ４０とがモールド樹脂２２によって封止された構造となっている。

基板１２は、セラミックまたは有機ガラスで形成された基板であり、その上面および基板内部には図示しない回路配線が形成されている。基板１２の下面には、加速度信号や、電源電圧を入出力するための外部端子として機能する複数の半田ボール３８が形成されている。

基板１２の上面には、加速度センサチップ２０と、信号処理チップ４０とが、ダイボンド樹脂によって固着されている。加速度センサチップ２０および信号処理チップ４０は、ワイヤ３４および基板１２に設けられた図示しない配線を介して電気的に接続される。

図２は、加速度センサチップ２０の斜視図である。図１に示す加速度センサチップ２０は、図２のＡ−Ａ’線に沿った断面である。加速度センサチップ２０は、加速度を検出する素子である加速度センサ素子１６と、加速度センサ素子１６における枠体３０の上面の開口部を覆う上面封止体１４と、枠体３０の下面の開口部を覆う下面封止体１８と、を備える。

図３は、加速度センサ素子１６の斜視図である。加速度センサ素子１６は、シリコンを母材としてドライエッチングにて、枠体３０、梁部２６、錘部２８からなる構造体を形成し、梁部２６上にピエゾ抵抗素子４２を形成している。

枠体３０は、加速度センサチップ２０の基体となるものであり、四角形状に形成されている。梁部２６は、枠体３０の４つの内側面から、それぞれ枠体３０の内側方向に向かって延設されており、枠体３０の開口部の中央付近で交差している。

梁部２６は、その上面が、枠体３０の上面から離間するように形成されている。すなわち、梁部２６の上面は枠体３０の上面と同一平面上にはなく、梁部２６は、枠体３０の内側面の上面と下面の間の位置から延設されている。梁部２６は、たとえば枠体３０の上面から梁部２６の上面までの距離が１０μｍ程度となる位置に形成される。また、梁部２６の厚みは、弾性を有するように薄肉状に形成されており、５μｍ程度に形成することが好ましい。

錘部２８は、印加された加速度の大きさに応じて揺動し、梁部２６の撓み量を変化させるものである。錘部２８は、４つの梁部２６が交差する部分に、梁部２６の下面から下方に延びるように形成される。錘部２８は、四角柱状の塊体である。錘部２８は、その下面が枠体３０の下面から離間するように形成されている。すなわち、錘部２８の下面が、枠体３０の下面と同一平面上に位置しないように形成される。枠体３０の下面から錘部２８の下面までの距離は、枠体３０の上面から梁部２６の上面までの距離と略同一の距離になるように形成することが好ましい。たとえば、枠体３０の上面から梁部２６の上面までの距離が１０μｍ程度に形成されている場合は、枠体３０の下面から錘部２８の下面までの距離も１０μｍ程度に形成する。

ピエゾ抵抗素子４２は、梁部２６が変形した際の撓み量を電気信号に変換するものである。ピエゾ抵抗素子４２は、梁部２６の表面に形成されており、梁部２６の最も応力集中する位置に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸あたり４素子、３軸で計１２素子がそれぞれ配置されている。各軸とも４素子でホイートストン・ブリッジ回路を構成し、応力による抵抗変化を電圧変化として検出する。検出された加速度信号は、ボンディングパッド３２から出力される。

上面封止体１４および下面封止体１８は、シリコン、またはシリコンと線膨張係数の近い有機ガラスにて形成される。上面封止体１４および下面封止体１８は、四角形状の平板である。下面封止体１８は加速度センサ素子１６の枠体３０と略同一の大きさであり、上面封止体１４は、ボンディングパッド３２を形成する領域を確保するために枠体３０よりも若干小さく形成されている。

上面封止体１４および下面封止体１８は、加速度センサ素子１６と、枠体３０の開口周縁部において陽極接合により接合されている。上面封止体１４および下面封止体１８によって枠体３０の開口部を覆うことによって錘部２８が揺動する空間は気密に封止される。

上述したように、梁部２６の上面は枠体３０の上面から離間しており、かつ錘部２８の下面は枠体３０の下面から離間している。梁部２６の上面が枠体３０の上面から離間しておらず、錘部２８の下面が枠体３０の下面から離間していない場合には、錘部２８が揺動する空間を確保するために、上面封止体１４および下面封止体１８に凹部を形成しなければならない。本実施の形態においては、上面封止体１４および下面封止体１８は、平坦な平板であればよく、凹部を形成する加工は不要となるので、製造コストを低減することができる。

また、上面封止体１４および下面封止体１８は、錘部２８が揺動する範囲を制限するストッパーとしても機能し、過度の加速度が印加された場合に梁部２６が破壊されることを防止する。枠体３０の下面から錘部２８の下面までの距離が、枠体３０の上面から梁部２６の上面までの距離と略同一の距離になるように形成されている場合、上下方向に同程度の揺動を許容することができる。

図１に示す信号処理チップ４０には、ピエゾ抵抗素子４２のホイートストン・ブリッジ回路から各軸方向ごとに得られる加速度信号を演算処理する処理回路等が集積されている。さらに、図示は省略しているが、検出信号のレベルと加速度の大きさの対応関係のような演算処理に必要なデータを格納するＥＥＰＲＯＭ等のような記憶素子チップを備えていてもよい。

加速度センサチップ２０および信号処理チップ４０は、モールド樹脂２２によって封止される。ここで、加速度センサチップ２０とモールド樹脂２２との間には、図１に示すように、加速度センサチップ２０の側面および上面を覆う緩衝部材２４が設けられる。

一般に、モールド樹脂による封止を行う場合、温度を上げて液状化したモールド樹脂にて対象物を覆い、冷却することによって成形を行うが、冷却を行う際にモールド樹脂が収縮する。加速度センサチップ２０を直接モールド樹脂で覆い、冷却した場合、収縮による応力によって加速度センサチップ２０が歪み、梁部２６が撓むことによってピエゾ抵抗素子４２の抵抗値が変化する。そのため、加速度センサチップ２０を直接モールド樹脂で封止した場合、加速度信号のオフセット値が変化し、出力特性が劣化してしまう。また、封止後も、モールド樹脂は外部環境の温度変化によって収縮または膨張をするので、同じようにピエゾ抵抗素子４２の抵抗値が変化し、出力特性が劣化してしまう。

本実施の形態では、加速度センサチップ２０とモールド樹脂２２との間に緩衝部材２４を設けているので、緩衝部材２４がモールド樹脂の収縮または膨張により加速度センサチップ２０に生じる応力を緩和し、加速度センサチップ２０の歪みを抑制する。その結果、梁部２６の撓みが抑制され、ピエゾ抵抗素子４２の抵抗値変化を抑えることができるので、加速度センサ装置１０の出力特性の劣化を防止することができる。緩衝部材２４は、たとえばシリコン樹脂であってよい。なお、信号処理チップ４０は、機械的に変動する部分を持たないため、緩衝部材２４で覆う必要はなく、直接モールド樹脂２２で封止してよい。

また、本実施の形態では、錘部２８が揺動する空間が気密にされているので、緩衝部材２４が錘部２８が揺動する空間に流れ込み、錘部２８の揺動を妨げるのを防止することができる。

図４は、複数の種類のセンサを１パッケージ化したマルチセンサ装置１００を示す図である。マルチセンサ装置１００は、加速度センサチップ２０と、磁気を検出する磁気センサチップ５０と、圧力を検出する圧力センサチップ６０と、これらのセンサが出力する信号を処理する信号処理チップ４０と、を備える。

図４に示すように、加速度センサチップ２０は緩衝部材２４によって、その側面と上面が覆われるが、磁気センサチップ５０および信号処理チップ４０には機械的に変動する部分はないため、直接モールド樹脂２２で封止されている。また、圧力センサチップ６０は、その上部にゲル状の圧力伝達部材６２が設けられている。

図５は、マルチセンサ装置１００の製造工程を示すフローチャートである。まず、シリコン基板をエッチングすることにより、加速度センサ素子１６を製造する（Ｓ１０）。次に、上面封止体１４および下面封止体１８を、加速度センサ素子１６の枠体３０の開口周縁部に陽極接合をする（Ｓ１２）。

次に、下面に半田ボール３８が形成された基板１２の上面に加速度センサチップ２０、信号処理チップ４０、磁気センサチップ５０、圧力センサチップ６０、をマウントする（Ｓ１４）。加速度センサチップ２０は、シリコン系のダイボンド樹脂を用いてマウントすることが望ましい。上述したように、下面封止体１８はシリコン、またはシリコンと線膨張係数の近い有機ガラスにて形成されるので、たとえば、シリコンと線膨張係数差の大きいエポキシ系のダイボンド樹脂を用いた場合、加速度センサチップ２０が歪む可能性がある。シリコン系のダイボンド樹脂を用いることによって、歪みを最小限に抑えることができる。

加速度センサチップ２０、信号処理チップ４０、磁気センサチップ５０、圧力センサチップ６０をマウント後、ワイヤボンディング工程を行う（Ｓ１６）。その後、緩衝部材２４によって、加速度センサチップ２０の側面および上面を覆い、封止する（Ｓ１８）。緩衝部材としてシリコン樹脂を用いた場合、液状のシリコン樹脂によって加速度センサチップ２０の上面および側面を覆った後、加熱することによって硬化させる。

緩衝部材２４による封止後、モールド樹脂による封止工程を行う（Ｓ２０）。チップが実装された基板１２を金型成型器にセットし、温度を上げ液状化したモールド樹脂を圧送して流し込み、モールド成形を行う。このとき、圧力センサチップ６０の上面にモールド樹脂が流れ込まないように金型を形成する。その後、圧力センサチップ６０の上面にできたモールド樹脂２２で側面を囲まれた穴に、ゲル状の圧力伝達部材６２を充填する（Ｓ２２）。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本発明は、加速度センサ装置に関する分野に適用することができる。

Claims (3)

1. 基板上に下面を固定された加速度センサチップがモールド樹脂によって封止された加速度センサ装置であって、
   前記加速度センサチップは、錘部が印加された加速度に応じて揺動する空間が気密にされており、
   前記モールド樹脂と加速度センサチップとの間に、前記加速度センサチップの側面および上面を覆う緩衝部材が設けられていることを特徴とする加速度センサ装置。
2. 前記加速度センサチップは、
   枠体と、前記枠体の内側面から前記枠体の内側方向に延設された梁部と、前記梁部の下面の一部から下方に延びる前記錘部と、を有する加速度センサ素子と、
   前記枠体の上面の開口部を覆う上面封止体と、
   前記枠体の下面の開口部を覆う下面封止体と、
   を備え、
   前記梁部の上面は前記枠体の上面から離間しており、かつ前記錘部の下面は前記枠体の下面から離間していることを特徴とする請求項１に記載の加速度センサ装置。
3. 前記枠体の上面から前記梁部の上面までの距離と、前記枠体の下面から前記錘部の下面までの距離が略同一であることを特徴とする請求項２に記載の加速度センサ装置。

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