KR20080064798A - 가속도 센서장치 - Google Patents

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야스히로 다무라
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가부시키가이샤 씨앤드엔
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Abstract

가속도 센서장치(10)는, 기판(12) 상에 하면이 고정된 가속도 센서 칩(20)이 몰드 수지(22)에 의해 봉지된 가속도 센서장치이다. 가속도 센서 칩(20)은, 추부(28)가 인가된 가속도에 따라 요동하는 공간이 기밀하게 되어 있고, 몰드 수지(22)와 가속도 센서 칩(20) 사이에, 가속도 센서 칩(20)의 측면 및 상면을 덮는 완충부재(24)가 설치되어 있다.

Description

가속도 센서장치{Acceleration sensor}
본 발명은, 가속도 센서 칩을 몰드 수지에 의해 봉지한 가속도 센서장치에 관한 것이다.
종래, 자동차에 탑재되는 에어백 시스템 등에 있어서 가속도 센서가 이용되고 있다. 또한, 최근에는 가속도 센서의 소형화나 전력 절약화에 의해 휴대전화 등의 소형 정보 단말에도 가속도 센서가 탑재되고 있다.
가속도 센서의 동작원리는 여러가지의 방법이 제안되어 있는데, 그 중 하나로 피에조 저항효과를 이용한 피에조 저항형 가속도 센서가 알려져 있다. 피에조 저항형 가속도 센서에서는, 실리콘 기판을 에칭에 의해 가공함으로써, 추(錘)부와, 그 추부를 지지하는 들보부를 형성하고, 그 들보부에, 응력이 가해지면 그 저항값이 변화하는 피에조 저항을 형성한다. 그리고, 이러한 구조의 가속도 센서소자에 가속도가 인가되면, 추부의 관성력에 의해 들보부가 휘어져 피에조 저항의 저항값이 변화하므로, 가속도에 따른 전기신호를 추출할 수 있다.
이러한 가속도 센서소자와, 가속도 센서소자로부터 출력된 전기신호를 처리하는 집적회로 칩을 일체화한 가속도 센서장치에서는, 가속도 센서소자의 추부가 요동하는 공간을 확보할 필요가 있다. 그 때문에, 종래, 가속도 센서장치는, 금속 이나 세라믹의 패키지를 이용하여 기밀봉지(氣密封止)를 행하고 있었다(예를 들어, 일본특허공개 평7-120492호 공보).
그러나, 금속이나 세라믹의 패키지를 이용하여 기밀봉지를 행하는 경우, 부품수가 늘고, 또한, 기밀봉지공정이 필요하게 되기 때문에, 가속도 센서장치의 비용이 높아진다. 가속도 센서장치를 저비용화하기 위해서는, 몰드 수지에 의해 가속도 센서소자를 봉지하는 패키지 구조를 생각할 수 있는데, 이 경우, 가속도 센서소자의 추부가 몰드 수지에 의해 고정되지 않는 구조를 취할 필요가 있다.
또한, 가속도 센서소자를 몰드 수지에 의해 봉지하는 경우, 외부환경의 온도 변화에 따른 몰드 수지의 수축 또는 팽창에 의한 영향을 고려할 필요가 있다. 즉, 온도 변화에 의해 몰드 수지가 수축 또는 팽창하고, 응력이 가속도 센서소자에 가해진 경우, 가속도 센서소자의 들보부가 휘어져 피에조 센서소자의 저항값이 변화하여 버리므로, 검출대상인 가속도를 정확하게 검출하기 어렵게 되고, 가속도 센서장치의 출력특성이 열화되어 버린다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 출력특성을 손상시키지 않고 몰드 수지에 의해 봉지(封止; 봉하여 막음)를 행함으로써, 저비용의 가속도 센서장치를 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 태양의 가속도 센서장치는, 기판 상에 하면이 고정된 가속도 센서 칩이 몰드 수지에 의해 봉지된 가속도 센서장치로서, 가속도 센서 칩은, 추부가 인가된 가속도에 따라 요동하는 공간이 기밀하게 되어 있고, 몰드 수지와 가속도 센서 칩 사이에, 가속도 센서 칩의 측면 및 상면을 덮는 완충부재가 설치되어 있다.
이 태양에 의하면, 가속도 센서 칩과 몰드 수지 사이에 완충부재를 설치하고 있으므로, 완충부재가 몰드 수지의 수축 또는 팽창에 의해 생기는 응력을 완화한다. 그 결과, 가속도 센서 칩의 변형을 억제하므로, 출력특성의 열화를 방지할 수 있다.
가속도 센서 칩은, 프레임체와, 프레임체의 내측면에서 프레임체의 내측방향으로 연장 설치된 들보부와, 들보부의 하면의 일부에서 하방으로 연장되는 추부를 가지는 가속도 센서소자; 프레임체의 상면의 개구부를 덮는 상면 봉지체; 프레임체의 하면의 개구부를 덮는 하면 봉지체;를 구비하고, 들보부의 상면은 프레임체의 상면으로부터 이격되어 있고, 또한 추부의 하면은 프레임체의 하면으로부터 이격되어 있어도 된다.
이 경우, 들보부의 상면은 프레임체의 상면으로부터 이격되어 있고, 또한 추부의 하면은 프레임체의 하면으로부터 이격되어 있으므로, 평탄한 상면 봉지체 및 하면 봉지체로 프레임체의 개구부를 덮어도 추부가 요동하는 공간을 확보할 수 있다. 상면 봉지체 및 하면 봉지체에 의해 추부가 요동하는 공간은 기밀하게 되므로, 이 공간에 완충부재나 몰드 수지가 흘러들어 추부의 요동을 방해하는 것을 막을 수 있다. 또한, 상면 봉지체 및 하면 봉지체는 추부가 요동하는 범위를 제한하는 스토퍼로서도 기능하여, 과도한 가속도가 인가된 경우에 들보부가 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
프레임체의 상면부터 들보부의 상면까지의 거리와, 프레임체의 하면부터 추부의 하면까지의 거리가 대략 동일해도 좋다. 이 경우, 가속도가 인가되었을 때, 상하방향으로 같은 정도의 요동을 허용할 수 있다.
이상의 구성요소의 임의의 조합, 본 발명의 표현을 방법, 시스템 등의 사이에서 변환한 것도 본 발명의 태양으로서 유효하다.
본 발명에 의하면, 출력특성을 손상시키지 않고 몰드 수지에 의해 봉지를 행한 가속도 센서장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 관한 가속도 센서장치의 단면도이다.
도 2는 가속도 센서 칩의 사시도이다.
도 3은 가속도 센서소자의 사시도이다.
도 4는 복수 종류의 센서를 1패키지화한 멀티 센서장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 멀티 센서장치의 제조공정을 나타내는 흐름도이다.
<부호의 설명>
10 가속도 센서장치
12 기판
14 상면 봉지체
16 가속도 센서소자
18 하면 봉지체
20 가속도 센서 칩
22 몰드 수지
24 완충부재
26 들보부
28 추부
30 프레임체
32 본딩 패드
34 와이어
38 납땜 볼
40 신호처리 칩
42 피에조 저항소자
50 자기 센서 칩
60 압력 센서 칩
62 압력 전달부재
100 멀티 센서장치
도 1은, 본 발명의 실시예에 관한 가속도 센서장치(10)의 단면도이다. 가속도 센서장치(10)는, BGA(Ball Grid Array)타입의 가속도 센서장치이다. 가속도 센서장치(10)는, 예를 들어 휴대전화 등의 소형 정보 단말에 탑재되고, 소형 정보 단말의 흔들림을 검출함으로써 그 경사를 검출하는 등의 용도로 이용된다.
가속도 센서장치(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 기판(12) 상에 하면이 고정된 가속도 센서 칩(20)과 신호처리 칩(40)이 몰드 수지(22)에 의해 봉지된 구조로 되어 있다.
기판(12)은 세라믹 또는 유기(有機) 유리로 형성된 기판으로서, 그 상면 및 기판 내부에는 회로배선(미도시)이 형성되어 있다. 기판(12)의 하면에는, 가속도 신호나 전원전압을 입출력하기 위한 외부단자로서 기능하는 복수의 납땜 볼(38)이 형성되어 있다.
기판(12)의 상면에는, 가속도 센서 칩(20)과 신호처리 칩(40)이 다이본드 수지에 의해 고착되어 있다. 가속도 센서 칩(20) 및 신호처리 칩(40)은, 와이어(34) 및 기판(12)에 설치된 배선(미도시)을 통해 전기적으로 접속된다.
도 2는, 가속도 센서 칩(20)의 사시도이다. 도 1에 나타내는 가속도 센서 칩(20)은, 도 2의 A-A'선에 따른 단면이다. 가속도 센서 칩(20)은, 가속도를 검출하는 소자인 가속도 센서소자(16)와, 가속도 센서소자(16)에서의 프레임체(30)의 상면의 개구부를 덮는 상면 봉지체(14)와, 프레임체(30)의 하면의 개구부를 덮는 하면 봉지체(18)를 구비한다.
도 3은, 가속도 센서소자(16)의 사시도이다. 가속도 센서소자(16)는, 실리콘을 모재로 하여 드라이 에칭으로 프레임체(30)와, 들보부(26)와, 추부(28)로 이루어진 구조체를 형성하고, 들보부(26) 상에 피에조 저항소자(42)를 형성하고 있다.
프레임체(30)는 가속도 센서 칩(20)의 베이스가 되는 것으로서, 사각형상으로 형성되어 있다. 들보부(26)는 프레임체(30)의 4개의 내측면에서 각각 프레임 체(30)의 내측방향을 향하여 연장 설치되어 있고, 프레임체(30)의 개구부의 중앙 부근에서 교차하고 있다.
들보부(26)는, 그 상면이 프레임체(30)의 상면으로부터 이격되도록 형성되어 있다. 즉, 들보부(26)의 상면은 프레임체(30)의 상면과 동일 평면상에 있지 않고, 들보부(26)는 프레임체(30)의 내측면의 상면과 하면 사이의 위치에서 연장 설치되어 있다. 들보부(26)는, 예를 들어 프레임체(30)의 상면부터 들보부(26)의 상면까지의 거리가 10㎛정도가 되는 위치에 형성된다. 또한, 들보부(26)의 두께는, 탄성을 가지도록 얇은 두께를 가지는 형상으로 형성되어 있고, 5㎛정도로 형성하는 것이 바람직하다.
추부(28)는, 인가된 가속도의 크기에 따라 요동하여, 들보부(26)의 휘어짐 양을 변화시키는 것이다. 추부(28)는 4개의 들보부(26)가 교차하는 부분에 들보부(26)의 하면에서 하방으로 연장되도록 형성된다. 추부(28)는 사각기둥 형상의 덩어리체이다. 추부(28)는, 그 하면이 프레임체(30)의 하면으로부터 이격되도록 형성되어 있다. 즉, 추부(28)의 하면이 프레임체(30)의 하면과 동일 평면상에 위치하지 않도록 형성된다. 프레임체(30)의 하면부터 추부(28)의 하면까지의 거리는, 프레임체(30)의 상면부터 들보부(26)의 상면까지의 거리와 대략 동일한 거리가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 프레임체(30)의 상면부터 들보부(26)의 상면까지의 거리가 10㎛정도로 형성되어 있는 경우는, 프레임체(30)의 하면부터 추부(28)의 하면까지의 거리도 10㎛정도로 형성한다.
피에조 저항소자(42)는, 들보부(26)가 변형되었을 때의 휘어짐 양을 전기신 호로 변환하는 것이다. 피에조 저항소자(42)는 들보부(26)의 표면에 형성되어 있고, 들보부(26)의 가장 응력 집중하는 위치에 X축, Y축, Z축의 각 축당 4소자, 3축으로 합계 12소자가 각각 배치되어 있다. 각 축 모두 4소자로 휘트스톤·브리지 회로를 구성하고, 응력에 의한 저항변화를 전압변화로서 검출한다. 검출된 가속도 신호는, 본딩 패드(32)로부터 출력된다.
상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)는, 실리콘 또는 실리콘과 선팽창계수가 가까운 유기 유리로 형성된다. 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)는 사각형상의 평판이다. 하면 봉지체(18)는 가속도 센서소자(16)의 프레임체(30)와 대략 동일한 크기이고, 상면 봉지체(14)는 본딩 패드(32)를 형성하는 영역을 확보하기 위해 프레임체(30)보다도 약간 작게 형성되어 있다.
상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)는, 가속도 센서소자(16)와 프레임체(30)의 개구 주연(周緣)부에서 양극 접합에 의해 접합되어 있다. 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)에 의해 프레임체(30)의 개구부를 덮음으로써, 추부(28)가 요동하는 공간은 기밀하게 봉지된다.
상술한 바와 같이, 들보부(26)의 상면은 프레임체(30)의 상면으로부터 이격되어 있고, 또한, 추부(28)의 하면은 프레임체(30)의 하면으로부터 이격되어 있다. 들보부(26)의 상면이 프레임체(30)의 상면으로부터 이격되어 있지 않고, 추부(28)의 하면이 프레임체(30)의 하면으로부터 이격되어 있지 않은 경우에는, 추부(28)가 요동하는 공간을 확보하기 위해, 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)에 오목부를 형성해야만 한다. 본 실시예에서는, 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)는 평탄한 평판이면 되고, 오목부를 형성하는 가공은 불필요하게 되므로, 제조비용을 저감할 수 있다.
또한, 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)는, 추부(28)가 요동하는 범위를 제한하는 스토퍼로서도 기능하여, 과도한 가속도가 인가된 경우에 들보부(26)가 파괴되는 것을 방지한다. 프레임체(30)의 하면부터 추부(28)의 하면까지의 거리가 프레임체(30)의 상면부터 들보부(26)의 상면까지의 거리와 대략 동일한 거리가 되도록 형성되어 있는 경우, 상하방향으로 같은 정도의 요동을 허용할 수 있다.
도 1에 나타낸 신호처리 칩(40)에는, 피에조 저항소자(42)의 휘트스톤·브리지 회로에서 각 축 방향마다 얻어지는 가속도 신호를 연산처리하는 처리회로 등이 집적되어 있다. 또, 도시는 생략되어 있지만, 검출신호의 레벨과 가속도의 크기의 대응관계와 같은 연산처리에 필요한 데이터를 저장하는 EEPROM 등과 같은 기억소자 칩을 구비하고 있어도 좋다.
가속도 센서 칩(20) 및 신호처리 칩(40)은, 몰드 수지(22)에 의해 봉지된다. 여기서, 가속도 센서 칩(20)과 몰드 수지(22) 사이에는, 도 1에 나타내는 바와 같이 가속도 센서 칩(20)의 측면 및 상면을 덮는 완충부재(24)가 설치된다.
일반적으로 몰드 수지에 의한 봉지를 행하는 경우, 온도를 올려 액상화한 몰드 수지로 대상물을 덮고 냉각함으로써 성형을 하는데, 냉각을 행할 때에 몰드 수지가 수축한다. 가속도 센서 칩(20)을 직접 몰드 수지로 덮고 냉각한 경우, 수축에 의한 응력에 따라 가속도 센서 칩(20)이 변형되고, 들보부(26)가 휘어짐으로써 피에조 저항소자(42)의 저항값이 변화한다. 그 때문에, 가속도 센서 칩(20)을 직접 몰드 수지로 봉지한 경우, 가속도 신호의 오프셋 값이 변화하여 출력특성이 열화되어 버린다. 또한, 봉지 후에도, 몰드 수지는 외부환경의 온도 변화에 따라 수축 또는 팽창하므로, 마찬가지로 피에조 저항소자(42)의 저항값이 변화하여 출력특성이 열화되어 버린다.
본 실시예에서는, 가속도 센서 칩(20)과 몰드 수지(22) 사이에 완충부재(24)를 설치하고 있으므로, 완충부재(24)가 몰드 수지의 수축 또는 팽창에 의해 가속도 센서 칩(20)에 생기는 응력을 완화하여, 가속도 센서 칩(20)의 변형을 억제한다. 그 결과, 들보부(26)의 휘어짐이 억제되어, 피에조 저항소자(42)의 저항값 변화를 억제할 수 있으므로, 가속도 센서장치(10)의 출력특성의 열화를 방지할 수 있다. 완충부재(24)는, 예를 들어 실리콘 수지이어도 된다. 또, 신호처리 칩(40)은 기계적으로 변동하는 부분을 갖지 않기 때문에, 완충부재(24)로 덮을 필요는 없고, 직접 몰드 수지(22)로 봉지해도 된다.
또한, 본 실시예에서는, 추부(28)가 요동하는 공간이 기밀하게 되어 있으므로, 완충부재(24)가 추부(28)가 요동하는 공간에 흘러들어 추부(28)의 요동을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는, 복수 종류의 센서를 1패키지화한 멀티 센서장치(100)를 나타내는 도면이다. 멀티 센서장치(100)는, 가속도 센서 칩(20), 자기(磁氣)를 검출하는 자기 센서 칩(50), 압력을 검출하는 압력 센서 칩(60), 이들의 센서가 출력하는 신호를 처리하는 신호처리 칩(40)을 구비한다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 가속도 센서 칩(20)은 완충부재(24)에 의해 그 측면과 상면이 덮이는데, 자기 센서 칩(50) 및 신호처리 칩(40)에는 기계적으로 변동하는 부분은 없기 때문에, 직접 몰드 수지(22)로 봉지되어 있다. 또한, 압력 센서 칩(60)은, 그 상부에 겔형상의 압력 전달부재(62)가 설치되어 있다.
도 5는, 멀티 센서장치(10O)의 제조공정을 나타내는 흐름도이다. 우선, 실리콘 기판을 에칭함으로써, 가속도 센서소자(16)를 제조한다(S10). 다음에, 상면 봉지체(14) 및 하면 봉지체(18)를 가속도 센서소자(16)의 프레임체(30)의 개구 주연부에 양극 접합을 한다(S12).
다음에, 하면에 납땜 볼(38)이 형성된 기판(12)의 상면에 가속도 센서 칩(20), 신호처리 칩(40), 자기 센서 칩(50), 압력 센서 칩(60)을 장착한다(S14). 가속도 센서 칩(20)은, 실리콘계의 다이본드 수지를 이용하여 장착하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 하면 봉지체(18)는 실리콘 또는 실리콘과 선팽창계수가 가까운 유기 유리로 형성되므로, 예를 들어 실리콘과 선팽창계수 차이가 큰 에폭시계의 다이본드 수지를 이용한 경우, 가속도 센서 칩(20)이 변형될 가능성이 있다. 실리콘계의 다이본드 수지를 이용함으로써, 변형을 최소한으로 억제할 수 있다.
가속도 센서 칩(20), 신호처리 칩(40), 자기 센서 칩(50), 압력 센서 칩(60)을 장착한 후, 와이어본딩 공정을 행한다(S16). 그 후, 완충부재(24)에 의해 가속도 센서 칩(20)의 측면 및 상면을 덮고 봉지한다(S18). 완충부재로서 실리콘 수지를 이용한 경우, 액상의 실리콘 수지에 의해 가속도 센서 칩(20)의 상면 및 측면을 덮은 후, 가열함으로써 경화시킨다.
완충부재(24)에 의한 봉지 후, 몰드 수지에 의한 봉지공정을 행한다(S20). 칩이 실장된 기판(12)을 금형 성형기에 세트하고, 온도를 올려 액상화한 몰드 수지를 압송하여 흘려넣어 몰드 성형을 한다. 이 때, 압력 센서 칩(60)의 상면에 몰드 수지가 흘러들어가지 않도록 금형을 형성한다. 그 후, 압력 센서 칩(60)의 상면에 생긴 몰드 수지(22)로 측면을 둘러싼 홀에 겔형상의 압력 전달부재(62)를 충전한다(S22).
이상, 본 발명을 실시예를 기초로 설명하였다. 실시예는 예시이고, 그들의 각 구성요소나 각 처리 프로세스의 조합으로 여러가지의 변형예가 가능한 것, 또한 그러한 변형예도 본 발명의 범위에 있는 것은 당업자에게 이해되는 바이다.
본 발명은, 가속도 센서장치에 관한 분야에 적용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 기판 상에 하면이 고정된 가속도 센서 칩이 몰드 수지에 의해 봉지된 가속도 센서장치로서,
    상기 가속도 센서 칩은,
    프레임체와, 상기 프레임체의 내측면에서 상기 프레임체의 내측방향으로 연장 설치된 들보부와, 상기 들보부의 하면의 일부에서 하방으로 연장되는 상기 추(錘)부를 갖는 가속도 센서소자;
    상기 프레임체의 상면의 개구부를 덮는 상면 봉지체;
    상기 프레임체의 하면의 개구부를 덮는 하면 봉지체;를 구비하고,
    상기 상면 봉지체 및 상기 하면 봉지체로 상기 프레임체의 개구부를 덮음으로써, 상기 추부가 인가된 가속도에 따라 요동하는 공간은 기밀하게 되고,
    상기 들보부의 상면은 상기 프레임체의 상면으로부터 이격되어 있고, 또한 상기 추부의 하면은 상기 프레임체의 하면으로부터 이격되어 있으며,
    상기 프레임체의 상면부터 상기 들보부의 상면까지의 거리와, 상기 프레임체의 하면부터 상기 추부의 하면까지의 거리가 대략 동일하고,
    상기 몰드 수지와 상기 가속도 센서 칩 사이에, 상기 가속도 센서 칩의 측면 및 상면을 덮는 완충부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 가속도 센서장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 들보부에는, 들보부가 변형되었을 때의 휘어짐 양을 검출하는 피에조 저항소자가 설치되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 들보부에는 X축, Y축, Z축의 각 축 당 4개의 피에조 저항소자가 설치되어 있고, 각 축 모두 4개의 피에조 저항소자로 휘트스톤·브리지 회로가 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도 센서장치.
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