(57)【要約】【課題】  特に、ダイアフラムの保護に加え、高精度な圧力測定を行うことが出来るとともにパッケージ強度を向上させることが可能な圧力センサのパッケージ構造を提供することを目的としている。【解決手段】  第１のキャビティ８上にダイアフラム９が配置され、前記ダイアフラム９の上面にピエゾ素子Ｂ〜Ｅが設けられたセンサ部３と、前記センサ部３上に配置され、前記ダイアフラム９との間に第２のキャビティ１６を形成し且つ通気口１７を備える剛性カバー４と、前記通気口１７を覆うことなく前記センサ部３の側面から前記剛性カバー４の側面、さらには剛性カバー４の上面４ｃに設けられたモールド樹脂部５とを有して構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のキャビティ上にダイアフラムが配置され、前記ダイアフラムの上面にピエゾ素子が設けられたセンサ部と、前記センサ部上に配置され、前記ダイアフラムとの間に第２のキャビティを形成し且つ通気口を備える剛性カバーと、前記通気口を覆うことなく少なくとも前記センサ部から前記剛性カバーの側面に設けられたモールド樹脂部とを有して構成されることを特徴とする圧力センサのパッケージ構造。
【請求項２】
前記ダイアフラムと対向する部分の前記剛性カバーは、前記ダイアフラムより厚く形成されている請求項１記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項３】
前記センサ部はシリコンで形成され、前記剛性カバーはシリコンあるいはガラスで形成される請求項１又は２に記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項４】
前記剛性カバーの前記センサ部上に接合される脚部は、前記ピエゾ素子よりも外側に位置し、第２のキャビティの幅寸法は、前記第１のキャビティの幅寸法よりも大きく形成される請求項１ないし３のいずれか１項に記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項５】
前記剛性カバーの上面と前記モールド樹脂部の上面とが同一面で形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項６】
前記モールド樹脂部は前記剛性カバーの上面にまで延出して形成されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項７】
剛性カバーの上面に前記通気口が形成されており、前記モールド樹脂部には、前記通気口と対向する位置に前記通気口よりも大きい穴部が形成されている請求項６記載の圧力センサのパッケージ構造。
【請求項８】
前記センサ部は基板上に載置され、前記センサ部の側方に位置する前記基板の上面にはパッド部が設けられ、前記センサ部と前記パッド部間がワイヤボンディングにより接続されており、前記基板の上面から前記センサ部の側面にかけて前記モールド樹脂部が設けられてワイヤが前記モールド樹脂部内に埋設されており、前記基板の裏面には前記パッド部と接続する電極部が露出している請求項１ないし７のいずれか１項に記載の圧力センサのパッケージ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成される圧力センサのパッケージ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイアフラムにピエゾ素子を備え、ピエゾ素子の抵抗変化により圧力を測定する圧力センサをモールド樹脂で覆ったパッケージ構造では、ピエゾ素子の形成面上（ダイアフラム上）が前記モールド樹脂により覆われないようにしなければならなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−１１９８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１には半導体圧力センサに関する発明が開示されている。この特許文献にはダイアフラム部９ｂを有する圧力センサチップ９と、前記ダイアフラム部９ｂの上面を覆うシリコーンジャンクションコーティングレジン１２と、圧力導入孔を備える封止樹脂パッケージ１１とを有して構成されている。
【０００５】
特許文献１の明細書中には、前記シリコーンジャンクションコーティングレジン１２は、ゴム状またはゲル状のタイプのものを用いると記載されている。
【０００６】
しかしながら特許文献１では、シリコーンジャンクションコーティングレジン１２がダイアフラム部９ｂに接しているため、ダイアフラム部９ｂの上面に大気圧を正確に印加できない。また、シリコーンジャンクションコーティングレジン１２をダイアフラム部９ｂの上面に設ける工程時に、余計な応力がダイアフラム部９ｂに加わる可能性もある。よって、特許文献１の構造では、高精度な圧力測定を行うことが困難である。
【０００７】
また特許文献１の構造ではパッケージ強度が弱くなりやすい。特に軟らかいシリコーンジャンクションコーティングレジン１２上を覆う封止樹脂パッケージ１１の部分の強度が弱くなりやすい。よって、外的要因により封止樹脂パッケージ１１が割れる等の損傷を受けやすい。また、通常、前記封止樹脂パッケージ１１は、射出成形により形成されるが、かかる場合、軟らかいシリコーンジャンクションコーティングレジン１２上に封止樹脂パッケージ１１を成形しづらいと考えられる。すなわち金型内に溶融樹脂を流し込んだときに軟らかいシリコーンジャンクションコーティングレジン１２が潰されてしまい、封止樹脂パッケージ１１をシリコーンジャンクションコーティングレジン１２上に重ねて形成しにくいと思われる。また、シリコーンジャンクションコーティングレジン１２が潰されることで、そのとき、ダイアフラム部９ｂに余分な応力が加わりやすく、圧力測定精度の低下を招きやすい。
【０００８】
そこで本発明は上記従来の課題を解決するためのものであり、特に、ダイアフラムの保護に加え、高精度な圧力測定を行うことが出来るとともにパッケージ強度を向上させることが可能な圧力センサのパッケージ構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明における圧力センサのパッケージ構造は、
第１のキャビティ上にダイアフラムが配置され、前記ダイアフラムの上面にピエゾ素子が設けられたセンサ部と、前記センサ部上に配置され、前記ダイアフラムとの間に第２のキャビティを形成し且つ通気口を備える剛性カバーと、前記通気口を覆うことなく少なくとも前記センサ部から前記剛性カバーの側面に設けられたモールド樹脂部とを有して構成されることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明では、上記のようにダイアフラムの上方に通気口を備える剛性カバーを備え、モールド樹脂部が前記センサ部から剛性カバーの側面にかけて形成されている。これにより、ダイアフラム上を適切に保護できるとともに、ダイアフラム上を樹脂で覆うことなく高精度な圧力測定を行うことが出来、さらに、モールド樹脂部と剛性カバーとを備えたパッケージ構造としたことでパッケージ強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明では、前記ダイアフラムと対向する部分の前記剛性カバーは、前記ダイアフラムより厚く形成されていることが好ましい。これにより前記剛性カバーの剛性を効果的に高めることができ、パッケージ強度を適切に向上させることができる。
【００１２】
また本発明では、前記センサ部はシリコンで形成され、前記剛性カバーはシリコンあるいはガラスで形成されることが好ましい。これにより、センサ部と剛性カバー間の熱膨張差を小さくできセンサ部に作用する応力を小さくできる。よって圧力測定精度をより効果的に向上させることができる。
【００１３】
また本発明では、前記剛性カバーの前記センサ部上に接合される脚部は、前記ピエゾ素子よりも外側に位置し、第２のキャビティの幅寸法は、前記第１のキャビティの幅寸法よりも大きく形成されることが好ましい。これにより、圧力印加時にピエゾ素子の変形を阻害せず、また、ピエゾ素子に対するセンサ部と剛性カバー間の熱膨張差に起因する応力の影響を抑制できる。
【００１４】
また本発明では、前記剛性カバーの上面と前記モールド樹脂部の上面とが同一面で形成されている構成に出来る。
【００１５】
あるいは本発明では、前記モールド樹脂部が前記剛性カバーの上面にまで延出して形成される構造に出来る。このとき、前記モールド樹脂部には、剛性カバーの上面に形成された前記通気口と対向する位置に前記通気口よりも大きい穴部が形成されていることが好適である。
【００１６】
また本発明では、前記センサ部は基板上に載置され、前記センサ部の側方に位置する前期基板の上面にはパッド部が設けられ、前記センサ部と前記パッド部間がワイヤボンディングにより接続されており、前記基板の上面から前記センサ部の側面にかけて前記モールド樹脂部が設けられてワイヤが前記モールド樹脂部内に埋設されており、前記基板の裏面には前記パッド部と接続する電極部が露出していることが好ましい。これによりセンサ部とパッド部間を接続するワイヤを適切に保護でき、また圧力センサの実装性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧力センサのパッケージ構造によれば、ダイアフラムの上方に通気口を備える剛性カバーを備え、モールド樹脂部が前記センサ部から剛性カバーの側面にかけて形成されている。これにより、ダイアフラム上を適切に保護できるとともに、ダイアフラム上を樹脂で覆うことなく高精度な圧力測定を行うことが出来、さらに、モールド樹脂部と剛性カバーとを備えたパッケージ構造としたことでパッケージ強度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の圧力センサの断面図、
【図２】第２実施形態の圧力センサの断面図、
【図３】ダイアフラムを備える上側シリコン基板の平面図、
【図４】第１実施形態の圧力センサの製造工程を示す断面図、
【図５】第２実施形態の圧力センサの製造工程を示す断面図、
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は第１の実施形態における圧力センサの断面図、図２は、第２の実施形態における圧力センサの断面図、図３は、ダイアフラムを備える上側シリコン基板の平面図、である。図１、図２の断面図は図３のＡ−Ａ線から厚さ方向に切断した切断面を示す。
【００２０】
図１に示す圧力センサ１は、ベース基板２と、ベース基板２の上に接合されたセンサ部３と、センサ部３の上に接合された剛性カバー４と、モールド樹脂部５とを有してパッケージ化されたものである。
【００２１】
図１に示すように、センサ部３は下側シリコン基板６と上側シリコン基板７を備えて構成される。図１に示すように下側シリコン基板６の上面には、凹形状の第１のキャビティ８が形成されている。第１のキャビティ８は、平面視中央部分に形成される。第１のキャビティ８の平面視形状は例えば、略矩形状である。
【００２２】
下側シリコン基板６は、点線で分かれる上部６ａと下部６ｂとが酸化絶縁層を介して接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で形成されてもよい。あるいは、上部６ａと上側シリコン基板７とが酸化絶縁層を介して接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で形成されてもよい。
【００２３】
なお図１の実施形態では、下側シリコン基板６と上側シリコン基板７の間が、例えば常温接合されている。
【００２４】
上側シリコン基板７は、ダイアフラム９とその周囲の固定領域１０とで構成される。固定領域１０は、上側シリコン基板７に圧力が作用しても歪みが生じない領域である。
【００２５】
図３に示すようにダイアフラム９の４辺の各縁部の略中央には、ピエゾ素子Ｂ〜Ｅが形成される。図３に示すように、第１ピエゾ素子Ｂと第２ピエゾ素子Ｃとが第１の出力パッド１１を介して直列接続される。また、第３ピエゾ素子Ｄと第４ピエゾ素子Ｅとが第２の出力パッド１２を介して直列接続される。
【００２６】
第１ピエゾ素子Ｂと第３ピエゾ素子Ｄは入力端子部１３を介して、及び、第２ピエゾ素子Ｃと第４ピエゾ素子Ｅはグランド端子部１４を介して、夫々接続される。各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅに接続される配線層１５は固定領域１０上に延出形成される。図３に示すように、各端子部１１〜１４は固定領域１０の四隅に設けられている。配線層１５や各端子部１１〜１４はスパッタやメッキによりＡｕやＡｌ等の良導体で形成される。
【００２７】
例えば、各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅはダイアフラム９の表面にホウ素がドープされたＰ型半導体で形成される。
【００２８】
ダイアフラム３が圧力を受けて歪んだときに、前記第２ピエゾ素子Ｃ及び前記第３ピエゾ素子Ｄの抵抗値の増減傾向と、前記第１ピエゾ素子Ｂ及び前記第４ピエゾ素子Ｅの抵抗値の増減傾向とが逆傾向となるように、各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅが配置されている。図３では各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅの平面視形状が略矩形状となっているが例えばミアンダ形状で形成することが可能である。
【００２９】
また図示しないが上側シリコン基板７上にはＳｉ3Ｎ4等の保護膜が形成されている。各端子部１１〜１４は保護膜から露出している。
【００３０】
図１に示す剛性カバー４は、脚部４ａと、天板部４ｂとを有して構成される。脚部４ａは、上側シリコン基板７の固定領域１０上に接合される。剛性カバー４の脚部４ａは前記固定領域１０に常温接合あるいは接着固定される。
【００３１】
剛性カバー４を構成する天板部４ｂは、ダイアフラム９の上方に対向し、前記天板部４ｂとダイアフラム９との間に第２のキャビティ１６が形成されている。天板部４ｂの略中央には、通気口１７が形成されている。通気口１７の平面視形状は特に限定されない。例えば、通気口１７は円形状で形成される。
【００３２】
剛性カバー４はダイアフラム９上を保護し、且つモールド樹脂部５を射出成形しやすいように高い剛性で形成される。剛性カバー４はダイアフラム９よりも高剛性である。そして剛性カバー４は、測定範囲の圧力が作用しても変形しない非変形部であることが好適である。図１に示すように、剛性カバー４の天板部４ｂの厚さＨ１及び脚部４ａの幅寸法Ｔ５は、ダイアフラム９の厚さＨ２より厚く形成される。これにより、天板部４ｂの剛性を高めることができ、前記剛性カバー４を上側シリコン基板７と同じシリコンで形成しても効果的に天板部４ｂの剛性を高めることが可能である。なお剛性カバー４はシリコンやガラスで形成されることが好適である。天板部４ｂの厚さＨ１及び脚部４ａの幅寸法Ｔ５は１００〜３００μｍ程度であり、ダイアフラム９の厚さＨ２は、１０〜２０μｍ程度である。
【００３３】
図１に示すように、センサ部３がベース基板２上に接着層１８を介して接合されている。例えばベース基板２をセンサ部３と同様にシリコンで形成した場合には、センサ部３とベース基板２とを常温接合することも可能である。
【００３４】
図１に示すように、ベース基板２は、センサ部３の載置領域よりも広い面積を備えている。そして図１に示すように、ベース基板２の上面にはセンサ部３の側方位置にパッド部１９が設けられている。ベース基板２の上面に形成されたパッド部１９は、ベース基板２内を貫通する貫通配線層２０を介してベース基板２の下面に露出した平板状の電極部２１と電気的に接続されている。
【００３５】
図１に示すように、各端子部１１〜１４と各パッド部１９との間がワイヤボンディングされて導通接続されている。
【００３６】
図１に示すように、センサ部３の周囲に広がるベース基板２上からセンサ部３の側面及び剛性カバー４の側面にかけてモールド樹脂部５が設けられている。モールド樹脂部５はエポキシ樹脂等である。図１に示す実施形態では、前記モールド樹脂部５が前記剛性カバー４の上面４ｃにまで延出して形成されている。図１に示すようにモールド樹脂部５には、剛性カバー４の天板部４ｂに形成された通気口１７と対向する位置に前記通気口１７よりも大きい穴部２２が形成されている。よって通気口１７はモールド樹脂部５により覆われていない。モールド樹脂部５の上面５ａは穴部２２をのぞいて平坦面で形成される。
【００３７】
図２に示す実施形態では、図１と異なって、モールド樹脂部５が剛性カバー４上にまで延出しておらず、モールド樹脂部５の上面５ａは剛性カバー４の上面４ｃと同一面（同位置の平坦面）で形成されている。
【００３８】
本実施形態の圧力センサ１のパッケージ構造は、ピエゾ素子Ｂ〜Ｅを有するダイアフラム９の上方に通気口１７を備える剛性カバー４を備える。そして、モールド樹脂部５が少なくともセンサ部３から剛性カバー４の側面にかけて形成されている。図１の実施形態では、ダイアフラム９上を剛性カバー４とモールド樹脂部５で、図２の実施形態では、ダイアフラム９上を剛性カバー４により保護している。また図１，図２に示す実施形態共に、ダイアフラム９と剛性カバー４の間には第２のキャビティ１６が設けられており、ダイアフラム９上を樹脂で覆っていない。よって通気口１７からの大気圧を直接、ダイアフラム９に印加でき高精度な圧力測定を行うことが可能である。さらに、モールド樹脂部５と剛性カバー４とを備えたパッケージ構造としたことでパッケージ強度を効果的に向上させることが可能である。
【００３９】
また図１，図２に示す実施形態に示すように、モールド樹脂部５より、センサ部３の端子部１１〜１４とパッド部１９間を導通接続するワイヤ２３を覆うことが出来るため、前記ワイヤ２３を適切に保護できる。
【００４０】
加えて、モールド樹脂部５を備えたパッケージ構造とし、モールド樹脂部５の上面５ａを平坦面で形成したことで、圧力センサ１のピックアップを簡単且つ適切に行うことが可能になる。
【００４１】
また図１，図２に示すように、センサ部３をベース基板２上に載置し、前記ベース基板２の裏面にセンサ部３と接続する平板状の電極部２１を露出させている。よって、圧力センサ１を図１，図２に示すチップ状にて、相手側基板に半田や接着剤等により簡単且つ適切に実装でき、実装性に優れた構造となっている。
【００４２】
ベース基板２、センサ部３、及び剛性カバー４の材質を特に限定しないが、熱膨張差が小さくなる材質の組み合わせで形成することが好適である。これにより、ピエゾ素子Ｂ〜Ｅに作用する応力を小さくでき、高精度な圧力測定を行うことが出来る。例えば、ベース基板２、センサ部３及び剛性カバー４を全てシリコンで形成することがより好適である。
【００４３】
また、図１，図２に示すように、第２のキャビティ１６の幅寸法Ｔ２は、第１のキャビティ８の幅寸法Ｔ１より大きいことが好適である。そして、第２のキャビティ１６を形成する剛性カバー４の脚部４ａはピエゾ素子Ｂ〜Ｅの外側に離れた位置にある。よって、圧力印加時にピエゾ素子Ｂ〜Ｅの変形を阻害しない。またピエゾ素子Ｂ〜Ｅに対するセンサ部３と剛性カバー４との間の熱膨張差に起因する応力の影響を抑制することが出来る。第１のキャビティ８の平面形状の大きさによりダイアフラム９の領域が決まるので、第１のキャビティ８の幅寸法Ｔ１を調整してダイアフラム９の領域を決定し、また、図３に示すように、各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅの一部が固定領域１０の一部にかかるように各ピエゾ素子Ｂ〜Ｅを形成する。このため、第２のキャビティ１６の幅寸法Ｔ２を第１のキャビティ８の幅寸法Ｔ１と同じにすると剛性カバー４の脚部４ａがピエゾ素子Ｂ〜Ｅと接してしまうので、上記したように、第２のキャビティ１６の幅寸法Ｔ２を第１のキャビティ８の幅寸法Ｔ１より広く設定する。
【００４４】
また図２に示す実施形態は図１に示す実施形態に比べて薄型化を促進できるが、ダイアフラム９上方の剛性を効果的に高くすべく、図２に示す剛性カバー４の天板部４ｂの厚みＨ３を図１に示す剛性カバー４の天板部４ｂの厚みＨ１に比べて厚く形成したほうが好適である。換言すれば、図２では、剛性カバー４上を覆うモールド樹脂部５が不要であるから、剛性カバー４の厚みＨ３を厚く設定しても薄型化に貢献できる。図２に示す剛性カバー４の天板部４ｂの厚みＨ３を、１５０〜３５０μｍ程度とすることが好適である。
【００４５】
図１，図２に示す圧力センサ１は絶対圧検知用であるため第１のキャビティ８は真空である。ただし、第１のキャビティ８に通気口を設ければゲージ圧検知用に出来る。
【００４６】
また、図１，図２では剛性カバー４の天板部４ｂに通気口１７が形成されているが、前記通気口１７は剛性カバー４の側面位置に設けられてもよい。
【００４７】
図４は図１に示す圧力センサの製造方法を示す断面図である。
図４（ａ）の工程に示すように、ベース基板２上に多数個（図４では２個を図示）のＭＥＭＳ技術を用いて形成された剛性カバー４を有するセンサ部３を設置し、センサ部３とベース基板２のパッド部１９間をワイヤボンディングにより接続する。
【００４８】
続いて、ベース基板２上に設置されたセンサ部３及び剛性カバー４を金型３０内に設置する。このとき金型３０の裏面（ベース基板２との対向面）には軟らかい離型フィルム３１を貼着していくことが好適である。離型フィルム３１を設けることで、金型３０が剛性カバー４に当接したときに剛性カバー４に加わる力を緩和できる。またモールド樹脂部５を射出成形した後、金型３０を外しやすい。
【００４９】
金型３０には、剛性カバー４の天板部４ｂに形成された通気口１７を塞ぎ、樹脂が通気口１７からダイアフラム上に入らないようにするための凸部３０ａが設けられている。凸部３０ａの幅寸法Ｔ３は通気口１７の幅寸法Ｔ４より広いことが好適である。
【００５０】
そして、金型３０とベース基板２間の空間に溶融状態の例えばエポキシ樹脂を射出する。そしてエポキシ樹脂が硬化してモールド樹脂部５が形成される。このとき、剛性カバー４は剛性が高いため、樹脂の射出によっても剛性カバー４は変形しない。そして、金型３０を外す。
【００５１】
図４（ｂ）に示すように、モールド樹脂部５は、剛性カバー４の上面にまで延出しているが、剛性カバー４に形成された通気口１７の位置には形成されておらず、前記モールド樹脂部５には前記通気口１７と対向する位置に通気口１７よりも大きい穴部２２が形成される。
【００５２】
そして、図４（ｂ）に示すように、モールド樹脂部５及びベース基板２を点線位置からダイシングして、個々の圧力センサ１に個片化する（図４（ｃ）参照）。
【００５３】
図５は、図２に示す圧力センサの製造工程を示す断面図である。図５（ａ）では、図４（ａ）と異なる形状の金型４０を使用する。すなわち図５（ａ）に示すように金型４０の裏面（ベース基板２との対向面）は平坦面であり、図５（ａ）に示すように剛性カバー４の上面４ｃ全体が金型４０の裏面に当接している。この実施形態でも金型４０の裏面に離型フィルム３１を設けることが好適である。また金型４０により通気口１７は塞がれ、通気口１７から樹脂が入らないようになっている。そして、モールド樹脂部５を射出成形後、金型４０を取り外し、図５（ｂ）の点線部分からダイシングして、個々の圧力センサ１に個片化する（図５（ｃ）参照）。
【符号の説明】
【００５４】
１  圧力センサ
２  ベース基板
３  センサ部
４  剛性カバー
５  モールド樹脂部
６  下側シリコン基板
７  上側シリコン基板
８  第１のキャビティ
９  ダイアフラム
１０  固定領域
１１〜１４  端支部
１６  第２のキャビティ
１７  通気口
１９  パッド部
２１  電極部
２２  穴部
３０、４０  金型
３１  離型フィルム
Ｂ〜Ｅ  ピエゾ素子
【図１】
2010203857.tif 000003
【図２】
2010203857.tif 000004
【図３】
2010203857.tif 000005
【図４】
2010203857.tif 000006
【図５】
2010203857.tif 000007