JPWO2007083748A1

JPWO2007083748A1 - 圧力センサパッケージ及び電子部品

Info

Publication number: JPWO2007083748A1
Application number: JP2007533809A
Authority: JP
Inventors: 山本　敏; 敏山本; 橋本　幹夫; 橋本　　幹夫; 孝直鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2009-06-11
Also published as: CN101375146B; JP4991788B2; WO2007083748A1; US7549344B2; CN101375146A; EP1975587A1; US20080276713A1; JP2009180746A

Abstract

本発明の圧力センサパッケージ１０は、半導体基板１２の一面において、その中央域αの内部に空間１３を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とし、該ダイアフラム部に感圧素子１５を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域βに配置され、前記感圧素子ごとに電気的に接続された第１導電部１７を少なくとも備えた圧力センサ１１と、前記第１導電部には個別に、その上に配置され電気的に接続される第１バンプ１８と、を備える。前記外縁域における半導体基板の厚さＤ１、前記ダイアフラム部の厚さＤ２、前記空間の高さＤ３、及び、前記中央域において、前記Ｄ２と前記Ｄ３を除いた半導体基板の残部の厚さＤ４は、（Ｄ２＋Ｄ３）≪Ｄ４、かつ、Ｄ１≒Ｄ４、を満たす。

Description

本発明は、圧力センサパッケージ及び電子部品に関する。
本出願は、２００６年１月１９日に日本に出願された特願２００６−１０９６１号、及び、２００６年９月２１日に日本に出願された特願２００６−２５６００３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

半導体基板を用いた圧力センサ（以下、半導体圧力センサとも呼ぶ。）としては、例えば、図１１に示すものが挙げられる。この半導体圧力センサ１００は、半導体基板１０１の裏面側からエッチングすることにより形成した薄肉のダイアフラム部１０２と、半導体基板１０１の表面側に形成された４つのゲージ抵抗１０３を有している。４つのゲージ抵抗１０３は、ホイートストーンブリッジを構成するように電気的に接続されている。ダイアフラム部１０２が圧力を受けて撓むと、各ゲージ抵抗１０３にダイアフラム部１０２の撓み量に応じた応力が発生し、この応力に応じてゲージ抵抗１０３の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を電気信号として取り出すことにより、半導体圧力センサ１００は圧力の検出をする（例えば、特許文献１の図５を参照）。

このような半導体圧力センサは、例えば、図１２に示すようにパッケージ化された後、通常の使用に供される。すなわち、圧力センサパッケージ２００は、絶縁体からなる基台２０１と、圧力導入口２０２を備えた樹脂等からなる蓋体２０３とからなる筐体２０４を必要的・必然的に備える。筐体２０４の内部空間において、圧力センサ２０５（１００）が基台２０１に載置され、ワイヤボンド２０６によりリード２０７と電気的に接続された構造を有する。このような構造により、圧力センサパッケージ２００を構成する圧力センサ２０５（１００）は、リード２０７を介して、筐体２０４の外部に設けられる、例えば、図示しない増幅回路や補償回路と接続される。
特開２００２−３４０７１４号公報

しかしながら、従来の圧力センサパッケージには、少なくとも次のような２つの課題があった。
（１）上述した筐体内に圧力センサを設置する構成のパッケージでは、圧力センサの小型化が図れたとしても、筐体自体は依然として元の大きさゆえに、直ちにパッケージ自体の小型化を図ることは困難である。
（２）上記構成のパッケージを製造する際には、半導体基板上に複数個の圧力センサを作製し、圧力センサを個別に利用するためチップ化した後、個々のチップをパッケージ化する必要がある。したがって、製造工程が多くなりパッケージの製造コストが嵩むため、低コスト化が図りにくい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧力センサの機能を備えたウェハレベルパッケージを実現することにより、小型で低コストの圧力センサパッケージを提供することを１つの目的とする。また、このような圧力センサパッケージを搭載することにより、小型で軽量な電子部品を提供することを別の目的とする。

本発明の第１の態様（aspect）は、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記第１導電部には個別に、その上に配置され電気的に接続される第１バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、前記外縁域における半導体基板の厚さをＤ１、前記ダイアフラム部の厚さをＤ２、前記空間の高さをＤ３、前記中央域において、前記Ｄ２と前記Ｄ３を除いた半導体基板の残部の厚さをＤ４、と定義したとき、（Ｄ２＋Ｄ３）≪Ｄ４、かつ、Ｄ１≒Ｄ４、であることを特徴とする。

本発明の第２の態様は、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記外縁域を覆うように設けられる第１絶縁部と、該第１絶縁部の上に配置され、前記第１導電部と個別に、電気的に接続される第２導電部と、該第２導電部には個別に、その上に配置され前記第１導電部と重ならない位置において、電気的に接続される第２バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、前記外縁域における半導体基板の厚さをＴ１、前記ダイアフラム部の厚さをＴ２、前記空間の高さをＴ３、前記中央域において、前記Ｔ２と前記Ｔ３を除いた半導体基板の残部の厚さをＴ４、と定義したとき、（Ｔ２＋Ｔ３）≪Ｔ４、かつ、Ｔ１≒Ｔ４、であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２態様において、前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を含む前記外縁域を覆うように設けられる第２絶縁部を備える。

本発明の第４の態様は、第２態様において、前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を覆うように前記第１絶縁部に重ねて設けられる第２絶縁部を備え、前記第１絶縁部、第２絶縁部の少なくとも一方は島状を成す前記第２バンプの周囲に配置される。

本発明の第５の態様は、第２態様において、前記第２バンプどうしは互いに対称となる位置に配置されることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１〜５のいずれか１つの態様において、前記圧力センサ内に、増幅回路及び／又は補償回路を備えたことを特徴とする。
本発明の第７の態様は、第２態様において、第１絶縁部が島状を有することを特徴とする。

本発明に係る電子部品は、第１〜７のいずれか１つの態様の圧力センサパッケージを搭載する。

本発明の第１態様の圧力センサパッケージ（以下、「第１の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、圧力センサ自体が同一の半導体基板内においてダイアフラム部と、感圧素子と電気的に接続されると共に第１バンプを載置する第１導電部とを別な領域に配置し、ダイアフラム部を設けた中央域の各寸法Ｄ２〜Ｄ４と第１導電部を設けた外縁域の寸法Ｄ１が、前述した関係、すなわち（Ｄ２＋Ｄ３）≪Ｄ４、かつ、Ｄ１≒Ｄ４、を満たすように構成される。つまり、第１の圧力センサパッケージは、ダイアフラム部と重なる位置の中央域には外縁域とほぼ同じ厚みをもち、同一部材からなる半導体基板を使用して構成される。このような構成は、圧力センサを第１バンプによって例えば外部基板と接続する際に、ダイアフラム部や感圧素子に加わる機械的あるいは熱的な影響を抑制する効果をもたらす。また、第１バンプを用いて外部基板と直接接続させる構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材、を一切不要とする。したがって、本発明によれば、筐体などを必要とせず、小型化と低コスト化とを一緒に図ることが可能な圧力センサパッケージが得られる。

本発明の第２態様の圧力センサパッケージ（以下、「第２の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、圧力センサ自体が同一の半導体基板内においてダイアフラム部と、感圧素子と電気的に接続されると共に第２バンプを載置する第２導電部と電気的に接続される第１導電部とを別な領域に配置し、ダイアフラム部を設けた中央域の各寸法Ｔ２〜Ｔ４と第１導電部及び第２導電部を設けた外縁域の寸法Ｔ１が、前述した関係、すなわち（Ｔ２＋Ｔ３）≪Ｔ４、かつ、Ｔ１≒Ｔ４、を満たすように構成される。つまり、第２の圧力センサパッケージは、ダイアフラム部と重なる位置の中央域には外縁域とほぼ同じ厚みをもち、同一部材からなる半導体基板を使用して構成される。この構成では、第２導電部を備えたことにより、外縁域内において第１導電部とは重ならない任意の場所へ第２バンプを配置できるので、例えば外部基板の要求に応じた自由度の高い接続位置の設定が可能となる。また、このような第２導電部を備えた構成は、圧力センサを第２バンプによって例えば外部基板と接続する際に、ダイアフラム部や感圧素子に加わる機械的あるいは熱的な影響を抑制する効果も発揮する。さらに、第２バンプを用いて外部基板と直接接続させる構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材、を一切不要とする。したがって、本発明によれば、外部基板の要求に応じた接続自由度を備えると共に、筐体などを必要とせず、小型化と低コスト化とを一緒に図ることが可能な圧力センサパッケージが得られる。

本発明に係る電子部品は、上述した構成を備える圧力センサパッケージを搭載する。この圧力センサパッケージは、搭載した際に嵩張る筐体などが不要なことから、圧力センサパッケージを収納する容積が大幅に低減されると共に、筐体などに相当する重量も削減される。よって、本発明によれば、小型で軽量な電子部品の提供が可能となる。
本発明の上記及び他の目的、作用・効果等については、本発明の実施形態の記載及び図面から、当業者に明らかになろう。

本発明の第１実施形態の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。本発明の第１実施形態の圧力センサパッケージの平面図である。感圧素子（ゲージ抵抗）の電気的な配線図である。本発明の第２実施形態の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。本発明の第２実施形態の圧力センサパッケージの平面図である。本発明の第３実施形態の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。本発明の第３実施形態の圧力センサパッケージの平面図である。電気回路を内蔵した基板の要部断面図である。図５Ａの基板の平面図である。外部基板に実装された圧力センサパッケージの要部断面側面図である。第３実施形態の圧力センサパッケージの製造における或る工程を示す要部断面側面図である。図７Ａの圧力センサパッケージの平面図である。図７Ａに示す工程の次の工程の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。図８Ａの圧力センサパッケージの平面図である。図８Ａに示す工程の次の工程の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。図９Ａの圧力センサパッケージの平面図である。図９Ａに示す工程の次の工程の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。図１０Ａの圧力センサパッケージの平面図である。従来の圧力センサの断面側面図である。従来の圧力センサパッケージの断面側面図である。本発明の第４実施形態の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。本発明の第４実施形態の圧力センサパッケージの平面図である。圧力センサパッケージの変形例の平面図である。圧力センサパッケージの別の変形例の平面図である。第２バンプの配置の一例を示す平面図である。第２バンプの配置の別の例を示す平面図である。第２バンプの配置の更に別の例を示す平面図である。第２バンプの配置の他の例を示す平面図である。外部基板に実装した本発明に係る圧力センサパッケージの要部断面側面図である。図１６Ａに示す圧力センサパッケージの熱応力状態を示す平面図である。外部基板に実装した従来の圧力センサパッケージの要部断面側面図である。図１７Ａに示す圧力センサパッケージの熱応力状態を示す平面図である。外部基板に実装した本発明に係る圧力センサパッケージの厚肉例の要部側面断面図である。図１８Ａに示す圧力センサパッケージの厚肉例の熱応力状態を示す平面図である。外部基板に実装した本発明に係る圧力センサパッケージの中肉例の要部側面断面図である。図１９Ａに示す圧力センサパッケージの中肉例の熱応力状態を示す平面図である。外部基板に実装した本発明に係る圧力センサパッケージの薄肉例の要部側面断面図である。図２０Ａに示す圧力センサパッケージの薄肉例の熱応力状態を示す平面図である。基板の厚さ（チップ厚）と基板内部の熱応力の最大値との関係を示す図である。

符号の説明

α、γ 中央域、
β、δ 外縁域、
１０、２０、４０圧力センサモジュール、
１１、２１圧力センサ、
１２、２２半導体基板、
１３、２３空間、
１４、２４ダイアフラム部、
１５、２５感圧素子、
１６、２６絶縁部、
１７、２７第１導電部、
１８第１バンプ、
２８第１絶縁部、
２９第２導電部、
３０第２バンプ、
３１第２絶縁部、
６２回路。
５照明ランプ

以下、図面を参照して、本発明の複数の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。

本発明の圧力センサパッケージは、半導体基板の外縁部に配置された第１導電部上に第１バンプを設けてなる構造（第１形式の圧力センサパッケージ）と、半導体基板の外縁部に配置された第１導電部上に第２導電部を設け、第１導電部と重ならない位置にある第２導電部上に第２バンプを設けてなる構造（第２形式の圧力センサパッケージ）とに大きく分けることができる。もっとも、以下に記載する各実施形態は例示であって、例えば、ゲージ配置などは、これに限定されるものではない。

＜第１実施形態＞
先ず、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態の圧力センサパッケージ（第１形式の圧力センサパッケージ）について説明する。
図１Ａは、図１Ｂに示す第１実施形態の圧力センサパッケージのＡ−Ａ線に沿った断面を示す。

図１Ａ及び１Ｂに示すように、第１形式の圧力センサパッケージ１０を構成する圧力センサ１１は、平板状の半導体基板１２を基材とし、この半導体基板１２の一面において、その中央域αの板厚方向の内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）１３を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部１４とする。また、ダイアフラム部１４には複数の感圧素子１５が配置され、外縁領域まで延びている。さらに、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域βには、感圧素子１５と電気的に接続された第１導電部１７が配置されている。

なお、図示のように、第１バンプ１８を載置するための第１導電部１７を除く外縁域βは、パッシベーション膜、例えば、窒化膜、酸化膜のような薄い絶縁部１６によって覆われる形態が好ましい。絶縁部１６を設けることにより、感圧素子１５が絶縁部１６によって被覆した構成が得られる。
本第１実施形態の圧力センサパッケージ１０においては、第１バンプ１８以外の外縁域βは全て絶縁部１６によって被覆されているので、第１バンプ１８を、例えば外部基板（不図示）と接続させる際に、外部基板に対して感圧素子１５の絶縁性を十分に確保できる。
また、絶縁部１６は、感圧素子１５の外気と接触を遮断するために、感圧素子１５の耐食性を向上させる。また、絶縁部１６があるために、感圧素子１５がダイアフラム部１４を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に低減する効果が得られる。

圧力センサ１１を構成する第１導電部１７の各々は、個別にその上に配置され電気的に接続される第１バンプ１８を備える。

基板１２の前記一面には、感圧素子１５として機能するゲージ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）が配置される。各ゲージ抵抗は、不図示のリード配線等を介して、ホイートストーンブリッジ（図２）を構成するように電気的に接続されている。このような感圧素子１５は、ダイアフラム部１４の周縁部に配置することが好ましい。周縁部においては圧縮と引張の両応力が感圧素子１５に加わりやすいので、感度のよい圧力センサが得られるからである。

図１Ａに示すように、圧力センサ１１は、外縁域βにおける半導体基板１２の厚さをＤ１、ダイアフラム部１４の厚さをＤ２、空間１３の高さをＤ３、中央域αにおいて、前記Ｄ２と前記Ｄ３を除いた半導体基板１２の残部の厚さをＤ４、と定義したとき、（Ｄ２＋Ｄ３）≪Ｄ４、かつ、Ｄ１≒Ｄ４、とすることが好ましい。
したがって、本第１実施形態において、Ｄ１〜Ｄ４はそれぞれ、上記２式を満たすように適宜選択される。

Ｄ１〜Ｄ４が上記２式を満たすということは、第１の圧力センサパッケージ１０を構成する圧力センサ１１は、半導体基板１２の一面からその厚さ方向に見たとき、その中央域αには、厚さＤ２が極めて薄いダイアフラム部１４と高さＤ３が極めて低い空間１３が存在し、その下方（図１Ａでは上方側）にはこれらに比べて十分な厚さＤ４を有する残部が存在する。半導体基板１２のこの厚さＤ４は、外縁域βにおける半導体基板１２全体の厚さＤ１とほぼ等しい値に設計されていることを意味する。換言すると、ダイアフラム部１４の厚さＤ２と、空間１３の高さＤ３とを足した寸法（Ｄ２＋Ｄ３）は極めて微小であって、例えば、５〜２０μｍである。空間高さＤ３は、例えば、１〜３μｍである。
ここでは、中央域と外縁域に区別して呼称するが、両域は一体をなす一枚の半導体基板から構成されている。

ところで、上述のように、従来のセンサチップでは、パッケージする際に、チップへの熱的な影響（ひずみ等）を考慮して、ワイヤボンドが不可欠であり、これが小型化を阻害していた。しかしながら、本実施形態（本発明）では、センサチップ自体にバンプを設け、これを介して他の要素と直接連結できるようにされている。
したがって、本第１実施形態の圧力センサパッケージ１０にあっては、従来の圧力センサパッケージが必須構成としていた圧力センサを内包する筐体などが不要となる。また、例えば、外部基板と接続可能な第１バンプ１８も圧力センサ自体が備えているので、極めて小型の圧力センサパッケージが得られる。また、筐体などを構成する各部材が削減されると共に、筐体内に圧力センサをパッケージングする工程も不要となるので、大幅な低コスト化が図れる。さらには、複数の電気的な接続箇所が生じてしまうワイヤボンドやリード等を用いておらず、第１バンプ１８のみによって外部基板と接続する構成としたことにより、優れた接続信頼性も同時に得られる。なお、本実施形態は例示であって、仕様等によりゲージ抵抗又はリード抵抗等の配置が変わっても良いことは言うまでもない。

＜第２実施形態＞
次に、図３Ａ及び３Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態の圧力センサパッケージ（第２形式の圧力センサパッケージ）について説明する。
図３Ａは、図３Ｂに示す第２実施形態の圧力センサパッケージのＢ−Ｂ線に沿った断面を示す。

図３Ａ及び３Ｂに示すように、第２形式の圧力センサパッケージ２０を構成する圧力センサ２１は、平板状の半導体基板２２を基材とし、この半導体基板２２の一面において、その中央域γの板厚方向の内部に該一面と略平行して広がる空間（基準圧力室）２３を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部２４とする。また、ダイアフラム部２４には複数の感圧素子２５が配置されている。さらに、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域δには、前記感圧素子２５と電気的に接続された第１導電部２７が配置されている。

なお、図示のように、第２導電部２９と第２バンプ３０とを載置するための第１導電部２７を除く外縁域δは、パッシベーション膜、例えば、窒化膜、酸化膜のような薄い絶縁部２６によって覆われる形態が好ましい。絶縁部２６を設けることにより、感圧素子２５が絶縁部２６によって被覆した構成が得られる。
本第２実施形態の圧力センサパッケージ２０においては、第１導電部２７を設ける予定の領域以外の外縁域δは全て絶縁部２６によって被覆されているので、第２導電部２９や第２バンプ３０を作製する前に圧力センサ２１が放置あるいは保管されるような際に、外部基板に対して感圧素子２５の絶縁性を十分に確保できる。
また、絶縁部２６は、感圧素子２５の外気と接触を遮断するため感圧素子２５の耐食性を向上させる。また、絶縁部２６があるために、感圧素子２５がダイアフラム部２４を介さずに直接、外部から受ける機械的な影響を大幅に低減する効果が得られる。

本第２実施形態の圧力センサパッケージ２０において、圧力センサ２１は、その外縁域δを覆うように配置される第１絶縁部２８と、第１絶縁部２８の上に配置され、第１導電部２７と個別に、電気的に接続される第２導電部２９と、第２導電部には個別に、その上に配置され前記第１導電部と重ならない位置において、電気的に接続される第２バンプと、を備える。第１絶縁部は、応力の緩衝層としてエポキシなどの感光性樹脂などが用いられる。

本第２実施形態の感圧素子２５は、図１Ａ及び１Ｂの其れと同様に、ゲージ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）が配置される。各ゲージ抵抗は、不図示のリード配線を介して、ホイートストーンブリッジ（図２）を構成するように電気的に接続されている。図３Ａ及び３Ｂに示す圧力センサ２１の場合も、これらの感圧素子２５の配置は、圧縮と引張の両応力が感圧素子２５に加わりやすいダイアフラム部２４の周縁部が好ましい。

図３Ａに示すように、圧力センサ２１は、外縁域δにおける半導体基板２２の厚さをＴ１、ダイアフラム部２４の厚さをＴ２、空間２３の高さをＴ３、中央域γにおいて、前記Ｔ２と前記Ｔ３を除いた半導体基板２２の残部の厚さをＴ４、と定義したとき、（Ｔ２＋Ｔ３）≪Ｔ４、かつ、Ｔ１≒Ｔ４、とすることが好ましい。
したがって、本第２実施形態において、Ｔ１〜Ｔ４はそれぞれ、上記２式を満たすように適宜選択される。

Ｔ１〜Ｔ４が上記２式を満たすということは、第２の圧力センサパッケージ２０を構成する圧力センサ２１は、半導体基板２２の一面からその厚さ方向に見たとき、その中央域γには、厚さＴ２が極めて薄いダイアフラム部２４と高さＴ３が極めて低い空間２３が存在し、その下方（図３Ａでは上方側）にはこれらに比べて十分な厚さＴ４を有する残部が存在する。半導体基板２２のこの厚さＴ４は外縁域δにおける半導体基板２２全体の厚さＴ１とほぼ等しい値に設計されていることを意味する。換言すると、ダイアフラム部２４の厚さＴ２と、空間２３の高さＴ３とを足した寸法（Ｔ２＋Ｔ３）は極めて微小であって、例えば、５〜２０μｍである。空間高さＴ３は、例えば、１〜３μｍである。
ここでは、中央域と外縁域に区別して呼称するが、両域は一体をなす一枚の半導体基板から構成されている。

特に、この構成では、第２導電部２９を備えたことにより、外縁域δ内において第１導電部２７とは重ならない任意の場所へ第２バンプ３０を配置できるので、例えば外部基板の要求に応じた接続位置に第２バンプ３０を設けることが可能となる。ゆえに、第２の圧力センサパッケージ２０は、外部基板との接続位置について高い自由度を有する。

ところで、上述のように、従来のセンサチップでは、パッケージする際に、チップへの熱的な影響（ひずみ等）を考慮して、ワイヤボンドが不可欠であり、これが小型化を阻害していた。しかしながら、本実施形態（本発明）では、センサチップ自体にバンプを設け、これを介して他の要素と直接連結できるようにされている。
したがって、本第１実施形態の圧力センサパッケージ２０にあっては、従来の圧力センサパッケージが必須構成としていた圧力センサを内包する筐体などが不要となり、また、例えば外部基板と接続可能な第２バンプ３０も圧力センサ自体が備えているので、極めて小型の圧力センサパッケージが得られる。また、筐体などを構成する各部材が削減されると共に、筐体内に圧力センサをパッケージングする工程も不要となるので、大幅な低コスト化が図れる。さらには、複数の電気的な接続箇所が生じてしまうワイヤボンドやリード等を用いておらず、第２バンプ３０のみによって外部基板と接続する構成としたことにより、優れた接続信頼性も同時に得られる。なお、本実施形態は例示であって、仕様等によりゲージ抵抗又はリード抵抗等の配置が変わっても良いことは言うまでもない。

＜第３実施形態＞
次に、図４Ａ及び４Ｂを参照して、本発明の第３の実施形態の圧力センサパッケージ（第２形式の圧力センサパッケージをベース）について説明する。図４Ａは、図４Ｂに示す第３実施形態の圧力センサパッケージのＣ−Ｃ線に沿った断面を示す。
図４Ａ及び４Ｂに示す圧力センサパッケージ４０は、図３Ａ及び３Ｂに示した第２形式の圧力センサパッケージ２０をベースとし、第２バンプ３０のみ露出するように、外縁域δを覆う第２絶縁部３１を配置した例である。第２絶縁部は、第１絶縁部と同様のエポキシ樹脂などが用いられる。

本第３実施形態の第２形式の圧力センサパッケージ４０においては、第２バンプ３０以外の外縁域δは全て第２絶縁部３１によって被覆されているので、第２バンプ３０を例えば外部基板（不図示）と接続させる際に、外部基板に対して第２導電部２９の絶縁性を十分に確保できる。
また、第２絶縁部３１は、第２導電部２９の外気と接触を遮断するため第２導電部２９の耐食性を向上させる。また、第２絶縁部３１があるために、第２導電部２９が外部から受ける機械的な影響を大幅に低減する効果が得られる。

ここで、センサパッケージの要部を構成する基板の内部に各種回路を内蔵させた構造を紹介する。
図５Ａ及び５Ｂは、このような基板を示し、図５Ａは、図５Ｂに示す基板のＤ−Ｄ線に沿った断面を示す。
図５に示した基板から構成される圧力センサパッケージ６０は、図１Ａ〜図４Ｂに示した第１形式または第２形式の圧力センサパッケージ１０、２０をベースとし、半導体基板１１（２１）の外縁域β（δ）にあって、電極パッドとして機能する第１導電部１７（２７）が設けられていない基板内部に、例えば、信号増幅や補償などの機能を備えた回路６２を設けた例である。
このような回路６２が設けられる位置は、ダイアフラム部６４と重ならない位置であればよく、外縁域β（δ）内の特定の場所に限定されるものではない。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおいては特に、第１導電部１７（２７）と回路６２の位置関係を明確に示すため、その他の構成物は適宜割愛して描写した。

上記第１、第２、及び第３実施形態について記載したと同様の理由から、このような形態の圧力センサパッケージ６０にあっても、基板内部に回路６２を備えているので、従来は外付けとされていた構成が不要となるので、接続部材や接続に要する製造工程が削減できるので製造コストが削減されるとともに、基板外部からの物理的あるいは化学的な影響が回避されるので電気的な接続品質の向上も図れる。

ここで、図６を参照して、本発明に係る圧力センサパッケージを外部基板に実装した一例を簡潔に説明する。
図６は、例えば、各種のプリント基板からなる外部基板７１に対して、圧力センサパッケージ７２はそれ自体が備えるバンプ７３によって接続されており、本発明に係る圧力センサパッケージがチップサイズで実装可能であることを表している。
なお、図６においては特に、上記の実装される状態を明確に示すため、その他の構成物は適宜割愛して描写した。また、図６のバンプ配置は、上述した第２の圧力センサパッケージに相当する例を示しているが、本例はこれに限定されるものではなく、たとえば第１の圧力センサパッケージにおいても同様にチップサイズで実装可能である。

以下では、図７〜図１０を参照して、図４Ａ及び４Ｂに示す第３実施形態の圧力センサパッケージ（第２形式）を製造する工程について説明する。
本発明の総ての実施形態においては、圧力センサに対して、チップサイズパッケージを実現するための加工をウェハレベルで行う。このような半導体基板の内部に空間（基準圧力室）２３を備えてなる構造の圧力センサは、例えば S. Armbruster 等により開示された方法（S. Armbruster et.al., "A NOVEL MICROMACHINING PROCESS FOR THE FABRICATION OF MONOCRYSTALLINE SI-MEMBRANES USING POROUS SILICON", Digest of Technical Papers Transducers '03, 2003, pp. 246.) により作製される。

まず、図７Ａ及び７Ｂに示すように、圧力センサ２１のダイアフラム２４以外の領域に、絶縁樹脂層２８を形成する。本製造方法においては、エポキシ樹脂などの感光性の樹脂を用い、一度ダイアフラムを含むウェハ全面に塗布した後、露光現像を行いダイアフラム部上にある樹脂のみを除去し、残部を絶縁樹脂層とした。このとき、電極パッドとして機能する第１導電部２７上の樹脂も同時に除去することで、電気配線のための開口部を効率よく形成した。

次に、図８Ａ及び８Ｂに示すように、第１導電部２７と電気的に接続するように、第２導電部２９として配線層を形成する。本製造方法においては、めっきにより銅（Ｃｕ）からなる配線層を形成した。なお、めっきにより配線層を形成することに限定されず、スパッタやＣＶＤ等、他の成膜方法でもよい。また、材料もＣｕだけでなく、ＡｕやＮｉ等、他の金属材料やこれらを適宜組み合わせたものでもよい。

次いで、図９Ａ及び９Ｂに示すように、第２導電部２９を含み、かつダイアフラム部２４以外の領域に、第２絶縁部３１として絶縁樹脂層を形成する。そして、エポキシ樹脂などの感光性の樹脂を用い、一度ダイアフラムを含むウェハ全面に塗布した後、露光現像を行いダイアフラム面上の樹脂も同時に除去することで、バンプ形成のための開口部を効率よく形成した。

最後に、図１０Ａ及び１０Ｂに示すように、第２導電部２９を構成する配線層と電気的に接続するようにバンプ３０を形成する。ここでは、はんだボールを搭載してバンプを形成した。なお、バンプの形成方法はこれに限定されず、印刷やめっきにより形成することが可能である。

上述した工程により、図４Ａ及び４Ｂの構成（第３実施形態）を備えた第２の圧力センサパッケージは作製される。しかしながら、図１Ａ及び１Ｂや図３Ａ及び３Ｂなどに例示した圧力センサパッケージもほぼ同様の製造方法により作製することができる。

＜第４実施形態＞
先ず、図１３Ａ及び１３Ｂを参照して、本発明の第４の実施形態の圧力センサパッケージ（第２形式の圧力センサパッケージ）について説明する。本実施形態の図においては、パッシベーションなどの絶縁層を省略してある。
図１３Ａは、図１３Ｂに示す第４実施形態の圧力センサパッケージのＪ−Ｊ線に沿った断面を示す。図４Ａ及び４Ｂに示した第３実施形態の圧力センサパッケージ４０においては第１絶縁部が連続しているのに対して、図１３Ａ及び１３Ｂに示す本第４実施形態の圧力センサパッケージ５０は、複数の第２バンプ３０は個別に、周囲に配置される第１絶縁部２８及び第２絶縁部３１が個々に独立した島状部３５を成している。

図１３Ａ及び１３Ｂに示す圧力センサパッケージ５０では、第１絶縁部２８の上に配置され、第１絶縁部２８から一部が露呈された第１導電部２７に対して電気的に接続される第２導電部２９と、第２導電部を覆う第２絶縁部３１を備える。この第２導電部２９は、第２絶縁部３１に形成された開口からその一部が露呈され、この露呈領域すなわち前記第１導電部と重ならない位置において、第２導電部２９と電気的に接続される第２バンプ３０が配置されている。
斯かる構成ために、絶縁部（絶縁樹脂層）がダイアフラム部に及ぼす影響を極力少なくすることができる。これにより、ダイアフラムの感度を高く維持でき、高精度なセンサを構築できる。

また、副次的な効果として、このように、それぞれの第２バンプ３０に対応して、互いに独立した島状部３５を形成することによって、島状部３５どうしの間は、ダイアフラム部２４と半導体基板２２の外部との間を等圧に保つ圧力通路Ｓを設けることが可能となる。

換言すると、ダイアフラム部２４が配置された半導体基板２２の中央領域が、第１絶縁部２８及び第２絶縁部３１によって囲われることなく、半導体基板２２の外部との間で通路Ｓによって、圧力の流入路と流出路を確保できる。

例えば、狭い管路中にこうした圧力センサパッケージ５０を配置した場合、島状部３５どうしの間の通路Ｓを通して、外部の圧力がダイアフラム部２４に正確に伝わるので、狭小な環境下で密に設置された場合でも、正確かつ安定して圧力を検出することができる。

なお、島状部３５は、個々の第２バンプ３０ごとに形成するのが最も好ましく、それ以外にも、複数の第２バンプが１つの島状部を成していてもよい。

また、第２バンプ３０の半導体基板２２に対する配列は、図１３Ａ及び１３Ｂに示したような、ダイアフラム部２４を除いた外縁域において、各辺の中間部分に第２バンプ３０をそれぞれ配置する形態に限定されない。すなわち、例えば、図１４Ａに示すように、半導体基板２２のダイアフラム部２４を除いた外縁域の四辺の角部にそれぞれ第２バンプ３０を配置してもよい。そしてこの第２バンプ３０の周辺の島状部３５は、それぞれ外縁域の四辺のうちの二辺に沿って延びるように配置してもよい。

この構成によって、島状部３５の長手方向Ｌでは、気体や液体が流れる方向に沿って開口部を広く設けて、流入、流出をよりスムーズに行うことが可能となる。例えば、細長い圧力通路などで、圧力通路の延長方向と島状部３５の長手方向Ｌとが合致するように圧力センサパッケージ５０を設置すれば、圧力通路中の圧力変化を正確に検出することが可能になる。

なお、図１４Ａの構成では、島状部３５の平面形状を液滴形に形成しているが、図１４Ｂに示すように、島状部３５の平面形状を矩形に形成しても良い。またそれ以外にも、島状部３５どうしの間隔が保たれるならば、島状部３５の平面形状を楕円形や不定形など各種形状に形成しても良い。

こうした、島状部の効果を検証するために、第１絶縁部及び第２絶縁部を島状に形成したものと、従来のように一律に広げて形成したものとを用いて、圧力センサとしての特性を測定して比較を行ったところ、外部応力により変動するオフセット温度特性が大きく改善した。よって、本実施形態のような島状部の形成が、ダイアフラムに対する応力の影響の低減に効果的であることが確認された。なお、本実施形態においては、第２絶縁樹脂層がある構成について示したが、第２絶縁樹脂層がなく、第１絶縁樹脂層を島状にした構成においても同様の効果が得られる。

図１５Ａ〜１５Ｄを参照して、本発明に係る圧力センサパッケージの第２バンプを配置する形成パターンを幾つか説明する。
図１５Ａは、一面が矩形を成す半導体基板２２の四方のコーナー領域に第２バンプ３０を配置した例であり、それぞれの第２バンプ３０は互いに等間隔で対称形に配置されている。第２バンプ３０を互いに等間隔で対称形に配置することによって、それぞれの第２バンプ３０に掛かる応力の配分が均等にされるので、圧力センサパッケージ９０の検出特性の変動を抑えることが可能になる。
図１５Ｂに示すように、半導体基板２２の各辺の中間部分で、かつ互いに等間隔で対称形になるように第２バンプ３０を配置するようにしてもよい。図１５Ａの構成と同様の作用・効果が得られる。

また、図１５Ｃ及び１５Ｄに示すように、半導体基板２２に対して互いに等間隔で対称形に配置される第２バンプ３０は、互いに同じ大きさすることが好ましい。このように、第２バンプ３０の大きさを均一に揃えることによって、それぞれの第２バンプ３０に加わる応力を均等に配分できる。ゆえに、図１５Ａ及び１５Ｂの配置は、圧力センサパッケージ９０の検出特性の変動を抑える効果をもたらす。なお、以上の実施形態においては、絶対圧タイプのセンサについて記載した。しかしながら、中央部の残部にダイアフラム部に、応力の影響の出ない範囲で（中央域の内部に形成された）空間部に到達する貫通穴をあけることにより、相対圧タイプのセンサを構成することもできる。

以下、従来構造に対する、本発明に係る圧力センサパッケージの特徴的な作用・効果について、図１６Ａ〜図１７Ｂを参照して簡潔に説明する。
ダイアフラムの存在する表面側とは反対の裏面側において、ダイアフラムをバックアップするような基板部分が大きく存在するパッケージ構成から成る本発明（図１６Ａ）と、そのようなバックアップ（基板部分）の無い従来構造（図１７Ａ）とを比較するシミュレーション（実験）を行った。
図１６Ａは、本発明に係る圧力センサパッケージの典型例８０を、他の基板、具体的には、外部基板７１に実装した構成を示し、図１６Ｂは、この実装時におけるバンプ部分に作用する熱応力の集中度合い（熱応力状態）を示す。
他方、図１７Ａは、従来の典型的な圧力センサパッケージ８２を、他の基板、具体的には、外部基板７１に実装した構成を示し、図１７Ｂは、この実装時におけるバンプ部分に作用する熱応力の集中度合い（熱応力状態）を示す。
図１６Ｂおよび図１７Ｂとの対比・比較から、本発明構造（典型例）の方が、発生する熱応力の大小の面で極めて優れている、すなわち、発生する熱応力が小さい、ということが良く理解できる。

次に、本発明に係る圧力センサパッケージにおいて、基板厚（Ｄ１あるいはＴ１）の大小に応じて、どのような作用・効果の違いが現われるかについて、図１８Ａ〜図２０を参照して簡潔に説明する。
本発明に係る圧力センサパッケージとして、基板全厚の違う３つのもの、すなわち、図１８Ａに示す厚肉例（具体的には、４００μｍ）、図１９Ａに示す中肉例（具体的には、２００μｍ）、図２０Ａに示す薄肉例（具体的には、１００μｍ）を用意して、それらを比較するシミュレーション（実験）を行った。
図１８Ｂ、図１９Ｂ、図２０Ｂは、それぞれ、厚肉例、中肉例、薄肉例を実装した際のバンプ部分に作用する熱応力の集中度合い（熱応力の状態）を示す。
これらの図の対比・比較から、薄肉の場合には作用・効果の面で良好な結果を得ることができないこと、および、肉厚が或る程度であった方が作用・効果の面で優れていること、等が理解できる。
具体的に、最適ないし実用的な基板厚の上限および下限を見い出すために、更なる実験（熱信頼性試験）をおこなった。その実際の条件は次の通りである。
・−25℃／125℃ 1000サイクル（サイクル実行後にバンプ部分の観察）
・センサ各部寸法：Ｄ２＝5μｍ；Ｄ３＝2μｍ；Ｄ１＝100μｍ, 150μｍ, 200μｍ, 300μｍ, 400μｍ, 500μｍ
・外部基板７１＝厚さ1mmのリジッド基板（FR4）
実験結果としては、図２１からも理解され得るように、200μｍ以上の厚さを有するものでは、バンプ部の亀裂等の不具合は特に生じなかった。しかしながら、150μｍでは３／１０、100μｍでは５／１０、というように不良が生じた。
結論的には、基板厚（Ｄ１またはＴ１）は、200μｍ以上であることが望ましく、上限（最大厚）としては、実装面から５００μｍ程度が実用上、望ましい、ということが言い得る。
なお、上述した本シミュレーション（実験）において、熱応力状態を示す図は、半導体パッケージとバンプとの接合部を上面（表面）側から見た図を示すものである。図１６Ｂ、図１７Ｂ、図１８Ｂ、図１９Ｂ、図２０Ｂにおいて、点線で囲まれた箇所は、ダイアフラム部を示す。また、黒色の濃く表されている箇所ほど、応力が大きく作用していることを意味する。

本発明に係る圧力センサパッケージは、空気圧や水圧、油圧などの圧力を測定する用途に使用され、特に、ウェハレベルチップサイズパッケージ化により筐体等を不要とした構造を備えているので、薄型化や小型化、あるいは軽量化等が求められている各種の電子部品に好適である。

本発明の請求項１に記載の圧力センサパッケージは、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記第１導電部には個別に、その上に配置され電気的に接続される第１バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、前記外縁域における半導体基板の厚さをＤ１と定義したとき、該Ｄ１が２００μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の圧力センサパッケージは、半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記外縁域を覆うように設けられる第１絶縁部と、該第１絶縁部の上に配置され、前記第１導電部と個別に、電気的に接続される第２導電部と、該第２導電部には個別に、その上に配置され前記第１導電部と重ならない位置において、電気的に接続される第２バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、前記外縁域における半導体基板の厚さをＴ１と定義したとき、該Ｔ１が２００μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の圧力センサパッケージは、請求項２に記載の圧力センサパッケージであって、前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を含む前記外縁域を覆うように設けられる第２絶縁部を備える。

本発明の請求項４に記載の圧力センサパッケージは、請求項２に記載の圧力センサパッケージであって、前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を覆うように前記第１絶縁部に重ねて設けられる第２絶縁部を備え、前記第１絶縁部、第２絶縁部の少なくとも一方は島状を成し、かつ、前記第２バンプの周囲に配置される。

本発明の請求項５に記載の圧力センサパッケージは、請求項２に記載の圧力センサパッケージであって、前記一面が矩形を成す半導体基板において、前記第２バンプどうしは互いに対称となる位置に配置されることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の圧力センサパッケージは、請求項１又は２に記載の圧力センサパッケージであって、前記圧力センサ内に、増幅回路及び／又は補償回路を備えたことを特徴とする。
本発明の請求項７に記載の圧力センサパッケージは、請求項２に記載の圧力センサパッケージであって、前記第１絶縁部が島状を有することを特徴とする。

本発明に係る電子部品は、請求項１又は２に記載の圧力センサパッケージを搭載する。

本発明の請求項１に記載の圧力センサパッケージ（以下、「第１の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、圧力センサ自体が同一の半導体基板内においてダイアフラム部と、感圧素子と電気的に接続されると共に第１バンプを載置する第１導電部とを別な領域に配置してなり、第１導電部を設けた外縁域の寸法Ｄ１が２００μｍ以上５００μｍ以下として構成される。このような構成は、圧力センサを第１バンプによって例えば外部基板と接続する際に、ダイアフラム部や感圧素子に加わる機械的あるいは熱的な影響を抑制する効果をもたらす。また、第１バンプを用いて外部基板と直接接続させる構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材、を一切不要とする。したがって、本発明によれば、筐体などを必要とせず、小型化と低コスト化とを一緒に図ることが可能な圧力センサパッケージが得られる。

本発明の請求項２に記載の圧力センサパッケージ（以下、「第２の圧力センサパッケージ」とも呼ぶ。）では、圧力センサ自体が同一の半導体基板内においてダイアフラム部と、感圧素子と電気的に接続されると共に第２バンプを載置する第２導電部と電気的に接続される第１導電部とを別な領域に配置してなり、第２導電部を設けた外縁域の寸法Ｔ１が２００μｍ以上５００μｍ以下として構成される。また、第２の圧力センサパッケージは、ダイアフラム部と重なる位置の中央域には外縁域とほぼ同じ厚みをもち、同一部材からなる半導体基板を使用して構成される。この構成では、第２導電部を備えたことにより、外縁域内において第１導電部とは重ならない任意の場所へ第２バンプを配置できるので、例えば外部基板の要求に応じた自由度の高い接続位置の設定が可能となる。また、このような第２導電部を備えた構成は、圧力センサを第２バンプによって例えば外部基板と接続する際に、ダイアフラム部や感圧素子に加わる機械的あるいは熱的な影響を抑制する効果も発揮する。さらに、第２バンプを用いて外部基板と直接接続させる構成は、従来の圧力センサパッケージが必須としていた圧力センサを内包する筐体、及び、圧力センサと外部基板の間を電気的に繋ぐワイヤボンドやリード等の接続部材、を一切不要とする。したがって、本発明によれば、外部基板の要求に応じた接続自由度を備えると共に、筐体などを必要とせず、小型化と低コスト化とを一緒に図ることが可能な圧力センサパッケージが得られる。

Claims

半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記第１導電部には個別に、その上に配置され電気的に接続される第１バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、
前記外縁域における半導体基板の厚さをＤ１、前記ダイアフラム部の厚さをＤ２、前記空間の高さをＤ３、前記中央域において、前記Ｄ２と前記Ｄ３を除いた半導体基板の残部の厚さをＤ４、と定義したとき、（Ｄ２＋Ｄ３）≪Ｄ４、かつ、Ｄ１≒Ｄ４、であることを特徴とする圧力センサパッケージ。
半導体基板の一面において、その中央域の内部に該一面と略平行して広がる空間を備え、該空間の上部に位置する薄板化された領域をダイアフラム部とし、該ダイアフラム部に感圧素子を配置してなり、前記一面において、前記ダイアフラム部を除いた外縁域に配置され、前記感圧素子と電気的に接続された第１導電部を少なくとも備えた圧力センサと、前記外縁域を覆うように設けられる第１絶縁部と、該第１絶縁部の上に配置され、前記第１導電部と個別に、電気的に接続される第２導電部と、該第２導電部には個別に、その上に配置され前記第１導電部と重ならない位置において、電気的に接続される第２バンプと、を備えてなる圧力センサパッケージであって、
前記外縁域における半導体基板の厚さをＴ１、前記ダイアフラム部の厚さをＴ２、前記空間の高さをＴ３、前記中央域において、前記Ｔ２と前記Ｔ３を除いた半導体基板の残部の厚さをＴ４、と定義したとき、（Ｔ２＋Ｔ３）≪Ｔ４、かつ、Ｔ１≒Ｔ４、であることを特徴とする圧力センサパッケージ。
前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を含む前記外縁域を覆うように設けられる第２絶縁部を備えたことを特徴とする請求項２に記載の圧力センサパッケージ。
前記第２バンプのみ露呈させて、前記第２導電部を覆うように前記第１絶縁部に重ねて設けられる第２絶縁部を備え、前記第１絶縁部、第２絶縁部の少なくとも一方は島状を成す前記第２バンプの周囲に配置されることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサパッケージ。
前記第２バンプどうしは互いに対称となる位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサパッケージ。
前記圧力センサ内に、増幅回路及び／又は補償回路を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサパッケージ。
第１絶縁部は、島状を有することを特徴とする請求項２に記載の圧力センサパッケージ。
請求項１又は２に記載の圧力センサパッケージを搭載することを特徴とする電子部品。