(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物理量を検出する機能を有する複数のセンサで構成された複合センサと、前記複合センサからの信号を処理するとともに外部との信号入出力を制御する基板と、前記複合センサと前記基板を搭載するチップパッドとリード部材と、をモールド樹脂で封止してパッケージを形成したトランスファーモールド型センサ装置において、
前記複合センサは、厚さが前記基板および前記チップパッドより厚く構成され、
前記複合センサの主面側はモールド樹脂で覆われ、裏面側は接合材を介して基板に接触しており、
前記複合センサを、前記複合センサと前記基板と前記チップパッドとを含む前記パッケージの厚さ方向の断面におけるパッケージ中立面上に配置したことを特徴とするトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項２】
前記パッケージ中立面の上側、下側のモールド樹脂の体積がほぼ等しくなるように前記複合センサ、前記基板および前記チップパッドをパッケージ厚さ方向に積層配置したことを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項３】
前記リード部材は、
前記パッケージ内部のインナーリード部と外部のアウターリード部とから成り、
前記複合センサと前記基板を搭載する前記チップパッドと、前記インナーリード部と前記アウターリード部の境界部と、が前記パッケージの厚さ方向において異なる高さに位置していることを特徴とする請求項１乃至２に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項４】
前記基板は、半導体素子から成ることを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項５】
前記基板は、半導体素子と配線パターンが形成されたプリント配線板とから成り、
前記半導体素子は、前記プリント配線板上に接合材を介して積層配置されていることを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項６】
前記複合センサを構成する複数のセンサのうち、前記パッケージの変形に対する感度が高いセンサを、少なくとも前記複合センサと前記基板と前記チップパッドを含むパッケージ厚さ方向の断面におけるパッケージ中立面上に配置したことを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項７】
前記複合センサを構成する複数のセンサのうち、前記パッケージの変形に対する感度が高いセンサを、前記パッケージに加えられる熱負荷によって生じるパッケージ反り変形の変化率の少ない領域に配置したことを特徴とする請求項１乃至５に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項８】
前記モールド樹脂の線膨張係数を７〜１１×１０-6／℃の範囲にしたことを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項９】
前記モールド樹脂のガラス転移温度を前記パッケージに加えられる熱負荷範囲の上限温度以上としたことを特徴とする請求項１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項１０】
前記複合センサを構成する複数のセンサのうち、前記パッケージの変形に対する感度が高いセンサを、少なくとも前記複合センサと前記基板と前記チップパッドを含むパッケージ厚さ方向の断面におけるパッケージ中立面上に配置したことを特徴とする請求項８乃至９に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項１１】
前記複合センサを構成する複数のセンサのうち、前記パッケージの変形に対する感度が高いセンサを、前記パッケージに加えられる熱負荷によって生じるパッケージ反り変形の変化率の少ない領域に配置したことを特徴とする請求項８乃至９に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【請求項１２】
前記複合センサは、複数の加速度センサおよび角速度をセンサで構成されていることを特徴とする請求項１乃至１１に記載のトランスファーモールド型センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の加速度センサおよび角速度センサで構成された複合センサをトランスファーモールドによって樹脂封止してパッケージを形成したトランスファーモールド型センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車や携帯電話、デジタルカメラなどの安定動作、信頼性向上のため種々の物理量を検出するセンサ装置が開発されている。自動車においては、特に加速度センサや角速度センサが横滑り防止や乗員の安全性を向上するための機器（例えばエアバック）制御用として適用が拡大している。また、センサ装置の自動車への適用では、エンジンルームへの搭載も想定されるため、熱変化や機械的振動などの過酷な環境負荷に耐えることが必要であるとともに、限られたスペースに搭載可能とするため、センサ装置自体も小型化することが不可欠となっている。
【０００３】
センサ装置に搭載される加速度センサや角速度センサでは、小型化や多機能化・複合化、および量産性向上などを目的に、シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いた検出手段が主流となってきている。微細加工技術によってシリコンの微細なくし歯状構造体を形成し、このくし歯状構造体の微小変位を、電気信号に変換することで加速度や角速度などの物理量を検出している。
【０００４】
上記加速度センサや角速度センサを樹脂封止してパッケージングしたセンサ装置では、パッケージを構成するセンサや基板などの内蔵部材と封止樹脂の線膨張係数が異なっている。また、パッケージに内蔵されるセンサや基板などの部材は、通常サイズや厚さが異なっており、パッケージ内部で非対称構造に配置される場合が多い。このようなパッケージに温度変化が加わると部材間の線膨張係数差や構造の非対称性によってパッケージには反り変形が生じる場合がある。このパッケージの反り変形によって、センサにも変形（膨張収縮や反り）が生じたり、パッケージ反りに応じてセンサ自体が傾いたりする。センサが変形する、あるいは傾斜して位置が変化すると、センサには応力が生じるようになり、これによってセンサ内部のくし歯状構造体も変形し、加速度や角速度などの慣性力が作用していない状態でも検出信号を出力する。また慣性力の検出範囲を狭めるなど、センサ装置の信頼性を著しく低下させる要因となる。したがって、シリコンの微細加工技術を加速度や角速度などの慣性力検出手段に適用したセンサ装置では、極力パッケージしたセンサに変形や傾斜などの位置変化を生じさせないパッケージ構造とすることが必要である。
【０００５】
加速度センサと、圧力センサを樹脂で封止してパッケージ（モールド体）を形成したセンサ装置の例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているセンサ装置では、リード上に加速度センサ、圧力センサ、および信号処理回路がパッケージの横方向（平面方向）に１列に配置され、かつ加速度センサと圧力センサは、信号処理回路を中心としてほぼ対称な位置に配置されている。特許文献１に記載の技術では、物理量センサとプラスチック材料からなるモールド体の線膨張係数差に起因して物理量センサに発生する熱応力を低減するため、以下の構成を採用している。すなわち、物理量センサとセンサ側モールド体表面との間のモールド体厚さと、リードとリード側モールド体表面との間のモールド体厚さとを、ほぼ同一にしている。あるいは、モールド体のリードの上面側を覆う部分の体積と、モールド体のリードの下面側を覆う部分の体積をほぼ同じになるように構成している。
【０００６】
また、樹脂封止した半導体チップが受ける応力を小さくする半導体装置の例が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示されているテープキャリアパッケージ構造の半導体装置では、テープキャリアよりも薄い半導体チップの主面と裏面の両方が封止樹脂で封止されている。封止した半導体チップをテープキャリアの厚さ方向位置において、半導体チップの主面に平行なパッケージ応力中立面と、半導体チップの応力中立面がほぼ一致するように配置している。このような半導体チップの配置によって、パッケージ全体が変形しても半導体チップが受ける応力を小さくすることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００５／０１９７９０
【特許文献２】特許第３９６４８５０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載のセンサ装置では、物理量センサに生じる熱応力低減のため、センサ搭載部分については、物理量センサとセンサ側モールド体表面との間のモールド体厚さと、リードとリード側モールド体表面との間のモールド体厚さをほぼ同一にしている。また、モールド体のリードの上面側を覆う部分の体積と、モールド体のリードの下側を覆う部分の体積がほぼ同じになるようにしている。このような構成では、少なくともセンサ搭載部分におけるプラスチック材料の熱変形量はほぼ同じになる。しかしながら、パッケージ中央部に配置されている信号処理回路部分では、信号処理回路側とリード側それぞれのモールド体の厚さが異なっている。この信号処理回路部分での上側、下側部分のプラスチック材料の熱変形差によって、パッケージ全体として反り変形（パッケージ厚さ方向の面外変形）が発生する。さらに、特許文献１に記載のセンサ装置は、複数のセンサと信号処理回路をパッケージ横方向に１列に並べて配置した構成となっている。このような配置のため、パッケージ横方向ではセンサなどの部材搭載部と非搭載部でモールド体厚さが異なっており、このモールド体厚さが異なる領域が広範囲であるため、パッケージ全体の反り変形を発生させる要因となっている。
【０００９】
このパッケージ全体の反り変形は、信号処理回路の周囲に配置されている物理量センサにも影響し、センサ自体に反り変形が生じたり、センサがパッケージ反りに合わせて傾いたりする。このセンサの反りや傾きによってセンサ内部の慣性力検出構造体が変形し、物理量の検出にばらつきや基準点の変動が生じる場合がある。
【００１０】
また、複数のセンサと信号処理回路をパッケージの横方向に１列に配置する構成であるため、パッケージ横方向サイズが拡大し、センサ装置小型化への対応が困難になる。
【００１１】
特許文献２に記載の半導体装置は、半導体チップが非常に薄いため（厚さ５０μｍ程度）、半導体チップをモールド金型内で保持するための部材（例えばリードフレーム）を用いることなく樹脂封止が可能であり、半導体チップの主面と裏面両方を封止樹脂で覆うことができる。半導体チップの主面および裏面が同じ材料構成になるため、半導体チップの応力中立面とパッケージの応力中立面を容易に一致させることができる。その反面、半導体チップの応力中立面とパッケージ応力中立面に僅かなずれがあっても、パッケージ反りによる応力が半導体チップに作用するようになる。
【００１２】
本願が対象としている物理量検出用センサは、内部にシリコンの微細加工による慣性力検出手段として複数のくし歯構造体を設けており、このくし歯を変位させるための空間を設ける必要がある。また、この空間の体積が樹脂モールド（モールド圧力やモールド樹脂の収縮応力）によって変化しないように保護するため、シリコン部材の厚さをある程度確保する必要がある。このような構造であるため、本願が対象とするセンサの厚さは、特許文献２に記載の半導体チップ（５０μｍ）のように薄くすることは困難であり、０．５ｍｍ（５００μｍ）から１．０ｍｍ程度の厚さになる。また、センサを制御し検出信号処理を行う半導体素子も信号処理時間短縮とパッケージ小型化のため、センサの近傍に配置する必要があり、これらをトランスファーモールド方式で樹脂封止するためには、モールド金型内でセンサと半導体素子を保持するための部材（例えばリードフレーム）を設けることが不可欠となる。
【００１３】
上記物理量検出センサ、半導体素子、および保持部材（リードフレーム）を樹脂封止してパッケージングし、パッケージ小型化を図るためには、パッケージングする部材を順次積層配置することが望ましい。センサの主面は、主に半導体素子との電気的導通を行う金属細線が接合され、封止樹脂で覆われる。センサは半導体素子の主面上に搭載され、センサ裏面が接続部材を介して半導体素子主面に接着される。半導体素子は保持部材上に搭載され、半導体素子裏面が接続部材を介して保持部材に接着されるようになる。
【００１４】
内部に慣性力検出手段である微細なくし歯構造体を設けたセンサを樹脂封止したパッケージでは、センサに生じる応力を小さくする必要がある。しかしながら、パッケージ厚さ方向に複数の異なる部材を積層した構造にした場合、特許文献２のように、センサの応力中立面とパッケージの応力中立面をほぼ一致させることと、パッケージ小型化（薄型化）の両立が困難になる。
【００１５】
本発明の目的は、内部に加速度や角速度などの所定の物理量を測定する機能を有する複合センサの変形を抑制して、変形によって生じる応力を低減し、小型化を達成した高信頼性のトラスファーモールド型センサ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するため、本発明では例えば以下に示す構成を採用する。
【００１７】
物理量を検出する機能を有する複数のセンサで構成された複合センサと、前記複合センサからの信号を処理するとともに外部との信号入出力を制御する基板と、前記複合センサと前記基板を搭載するチップパッドとリード部材と、をモールド樹脂で封止してパッケージを形成したトランスファーモールド型センサ装置において、
前記複合センサは、厚さが前記基板および前記チップパッドより厚く構成され、前記複合センサの主面側はモールド樹脂で覆われ、裏面側は接合材を介して基板に接触しており、前記複合センサを、前記複合センサと前記基板と前記チップパッドとを含む前記パッケージの厚さ方向の断面におけるパッケージ中立面上に配置した。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、内部に加速度や角速度などの所定の物理量を測定する機能を有する複合センサの変形を抑制して、変形によって生じる応力を低減し、小型化を達成した高信頼性のトラスファーモールド型センサ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明によるトランスファーモールド型センサ装置の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】図１に示したトランスファーモールド型センサ装置の別方向の断面図である。
【図３】図１、図２に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図４】図１、図２に示したトランスファーモールド型センサ装置を外部の実装基板に実装した状態を示す断面図である。
【図５】本発明によるトランスファーモールド型センサ装置の第２の実施形態を示す断面図である。
【図６】図５に示したトランスファーモールド方センサ装置の別方向の断面図である。
【図７】図５、図６に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図８】本発明によるトランスファーモールド型センサ装置の第３の実施形態を示す断面図である。
【図９】図８に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図１０】図８に示したトランスファーモールド型センサ装置の他の様態を示す断面図である。
【図１１】図１０に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図１２】本発明によるトランスファーモールド型センサ装置の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１３】図１２に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図１４】図１２、図１３に示したトランスファーモールド型センサ装置の他の様態を示すインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図１５】図１２に示したトランスファーモールド型センサ装置のさらに他の様態を示す断面図である。
【図１６】図１５に示したトランスファーモールド型センサ装置のインナーリードから上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【図１７】積層構造体における中立軸の算出方法を説明する図である。
【図１８】パッケージ上面から中立面までの距離と複合センサの位置関係を説明する図である。
【図１９】複合センサ上部のモールド樹脂厚と中立面上下のモールド樹脂体積の関係を説明する図である。
【図２０】複合センサ上部のモールド樹脂厚とパッケージ反り量の関係を、モールド樹脂の線膨張係数ごとに検討した結果を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
以下、実施例１におけるトランスファーモールド型センサ装置を、図を用いて説明する。
【００２１】
図１および図２は、本発明によるトランスファーモールド型センサ装置の断面図、図３はインナーリード９から上部のモールド樹脂を取り除いた平面図である。
【００２２】
図１、図２に示すように、トランスファーモールド型センサ装置は、チップパッド８上に、中継基板５、半導体素子４、および複合センサ１が順に積層配置されている。複合センサ１は、図２に示すように角速度センサ部２と加速度センサ部３から構成されており、これら平面方向に配置されている。複合センサ１と半導体素子４の間は、複合センサ１の主面１ａ上の図示されていない電極と半導体素子４上の図示されていない電極とを接合するワイヤ６によって電気的に接続されている。同様に、複合センサ１および半導体素子４と中継基板５の間、さらに中継基板５とインナーリード間もそれぞれワイヤ６によって電気的に接続されている。なお、中継基板５の表面にも、ワイヤ６を接合するための図示されていない電極が設けられている。モールド樹脂１２は、複合センサ１、半導体素子４、中継基板５、チップパッド８、インナーリード９、およびワイヤ６を封止してパッケージ７を形成している。パッケージ７の側面ではインナーリード９と繋がったアウターリード１０がモールド樹脂１２から突出しており、パッケージ７外部の例えば実装基板や筐体などに接続される。
【００２３】
チップパッド８は、図２に示すように吊りリード１１によって保持されている。チップパッド８は、パッケージ７の厚さ方向に吊りリード１１を折り曲げることで、吊りリード１１やインナーリード９より下側になるように配置されている。
【００２４】
複合センサ１は半導体素子４に、半導体素子４は中継基板５に、また中継基板５はチップパッド８にそれぞれ図示されていない接合材によって所定の部位に搭載されている。接合材にはペースト状接合材やフィルム状接合材が用いられる。フィルム状接合材は、部材接合後の厚さを均一に保てるので、部材の搭載位置ばらつき（水平度のばらつき）を抑制し、センサ出力ばらつきの低減に効果がある。
【００２５】
本実施例では、複合センサ１の厚さｔｓを、半導体素子４やチップパッド８の厚さより厚くして曲げ剛性を高くしている。また、複合センサ１搭載部分のパッケージ７断面におけるパッケージ厚さ方向の中立面１３（図１、図２に示すパッケージ７上面から距離ｙの位置にある応力がゼロになる面）  上に複合センサ１を配置している。さらに、中立面１３上側と下側のモールド樹脂１２の体積がほぼ等しくなるように複合センサ１や半導体素子４などをパッケージ７内部に積層設置している。中立面１３上下のモールド樹脂体積がほぼ等しくなるように複合センサ１や半導体素子４、チップパッド８を配置するため、上記したように吊りリード１１をパッケージ７の下方に折り曲げている（折り曲げ量ｈ）。
【００２６】
さらに本実施例では、複合センサ１の加速度センサ部３を図２や図３のように、パッケージ７が反り変形した場合に変化率が少ない領域に配置している。加速度センサは、重力加速度も検出するため、温度変化などによるパッケージ７の反り変形によって水平から傾くことによっても加速度を検出し、誤差の原因となる。パッケージ７の反り変化率の少ない部分に加速度センサ部３を配置すると、パッケージ７に反りが生じても加速度センサ部３は、水平状態を維持することができ、検出誤差の発生を防止することができる。なお、加速度センサ部３に図３に示したＸ方向（パッケージ７の長手方向）とＹ方向（パッケージ７の短手方向）の２軸のセンサが搭載されている場合は、Ｘ方向に検出軸をもつセンサをパッケージ７の反り変化率の少ない領域に配置するのが望ましい。これは、図３に示したような長方形のパッケージでは、Ｘ方向の反り量がＹ方向より大きくなるためである。
【００２７】
本実施例によるセンサ装置では、複合センサ１を含むパッケージ断面における中立面１３上に、他の部材より厚い複合センサ１を配置する。さらに、中立面１３上下のモールド樹脂１２の体積をほぼ同じにしている。これによって、パッケージ７に熱変化が加わった場合、モールド樹脂１２の膨張・収縮によってパッケージ７に生じる反り変形を低減する。これに加えて複合センサ１が中立面上に配置されており、かつ複合センサ１の剛性を高くしているので、複合センサ１に生じる応力をより低減することができる。さらに、パッケージ７の変形挙動に敏感な加速度センサ部３をパッケージ反り変形の変化率の少ない領域に配置することで、出力変動をさらに抑制できる。これらの構成によって、パッケージ７が変形しても、複合センサ１内部の図示していないくし歯構造体が変形するのを抑制でき、検出対象とする物理量の検出安定性を向上させ、検出誤差の少ないセンサ装置の提供が可能となる。
【００２８】
また、本実施例では、複合センサ１や半導体素子４、チップパッド８の部材をパッケージ７の厚さ方向に積層配置しているので、パッケージサイズが横方向に拡大するのを防止することができ、パッケージ７の小型化を図ることができる。
【００２９】
複合センサ１はシリコン（Ｓｉ）を微細加工して形成したくし歯状の物理量検出部を内蔵し、それらの周囲をＳｉやガラスなどで積層封止して形成される。半導体素子４は、Ｓｉ上に半導体プロセス加工技術で所定の回路や電極が形成されている。この半導体素子４は複合センサ１の検出動作を制御するとともに、センサ検出信号のパッケージ内外部の入出力制御などを行う。中継基板５はガラスエポキシ基板（例えばＦＲ４やＦＲ５）から成り、表面もしくは内部に所定の導体パターンや電極が形成される。チップパッド８やインナーリード９、アウターリード１０、および吊りリード１１は、それらが連結したリードフレームの状態でパッケージ組立てを行い、モールド樹脂１２によるパッケージング後にリードフレームから切断される。リードフレームは、銅合金（Ｃｕ）や鉄ニッケル合金（Ｆｅ−４２Ｎｉ）などの金属材料で構成される。アウターリード１０は、リード先端を外部の実装基板などに接続できるように、所定の形状に成型されている。ワイヤ６には、例えば直径２５μｍのＡｕ（金）細線を使用する。モールド樹脂１２にはシリカ粒子を充填した熱硬化性エポキシ樹脂を用いる。また、モールド樹脂１２の線膨張係数α１（ガラス転移温度以下の線膨張係数）は、７〜１１×１０-6／℃の範囲にするのが望ましい。モールド樹脂１２の線膨張係数をこの範囲にすることで、リードフレームがＣｕ系材料、鉄系材料（Ｆｅ−４２Ｎｉなど）のどちらになっても、モールド樹脂とリードフレームとの線膨張係数の整合が図れ、モールド樹脂接着界面のはく離を抑制し、はく離による複合センサ１に生じる応力増加を防ぐことができる。
【００３０】
モールド樹脂１２の線膨張係数α１を７〜１１×１０-6／℃の範囲にするのが望ましい理由について以下に詳述する。複合センサ１は主にシリコン（Ｓｉ）から構成されており、その線膨張係数は３×１０−６／℃程度である。この複合センサ１をモールド樹脂１２でトランスファーモールド封止すると、シリコンとモールド樹脂１２の線膨張係数差に依存した応力が複合センサ１に発生する。応力低減には、モールド樹脂１２の線膨張係数α１を小さくし、シリコンとの線膨張係数差を縮小する必要がある。モールド樹脂１２の線膨張係数α１を低減するため、モールド樹脂１２にはシリカ粒子が充填されている。シリカ粒子充填量を増やすと線膨張係数自体は低減するが、それに比例してエポキシ樹脂分が減少し、複合センサ１やチップパッド８などとの密着性が低下ようになる。
【００３１】
シリカ粒子充填による線膨張係数低減と密着性低下のバランスを考慮すると、モールド樹脂１２の線膨張係数α１は７×１０−６／℃が下限となる。この場合、シリカ粒子は約８０％（ｖｏｌ％）充填されている。
【００３２】
チップパッド８およびリードフレームは通常、金属材料から構成され、用途や要求される機能によって銅合金（Ｃｕ）や上述した鉄ニッケル合金（Ｆｅ−４２Ｎｉなど）が用いられる。チップパッド８などの部材もモールド樹脂１２で封止されるため、両者の接触界面には線膨張係数差に起因した応力が発生し、界面応力が高い場合には界面にはく離が発生する。例えばチップパッド８とモールド樹脂１２の界面がはく離すると、はく離部分のモールド樹脂１２はチップパッド８からの拘束を受けずに変形するようになるため、パッケージ７の全体の変形量がはく離前の状態から変化し、複合センサ１により高い応力を発生させる場合がある。
【００３３】
上記したＣｕの線膨張係数は１７×１０−６／℃であり、Ｆｅ−４２Ｎｉの線膨張係数は５×１０−６／℃である。両材料との線膨張係数差を考慮すると、モールド樹脂１２の線膨張係数α１は１１×１０−６／℃となり、このα１が複合センサ１をモールド樹脂１２で封止する場合の上限となる。
【００３４】
さらに、モールド樹脂１２には、センサ装置が晒される温度環境範囲の上限温度より高いガラス転移温度をもつ材料を用いる。モールド樹脂１２の線膨張係数は、ガラス転移温度以上の高温域で増加し、パッケージ７にはモールド樹脂１２の膨張による変形が生じる。この変形によって複合センサ１も変形して応力が生じ、センサ特性に影響する。モールド樹脂１２のガラス転移温度を高くすることによって、高温度域（例えば１２５℃付近）での複合センサ１の検出安定性を向上することができる。
【００３５】
複合センサ１は、自動車のエンジンルームへの搭載も想定しており、上述の高い温度環境（例えば１２５℃程度）に耐える耐熱性が要求される。トランスファーモールドのモールド樹脂として一般的に用いられる熱硬化性エポキシ樹脂には、物性の変化点であるガラス転移温度が存在する。このガラス転移温度を境として、モールド樹脂の線膨張係数は著しく変化し、ガラス転移温度以上の線膨張係数α２は転移温度以下の線膨張係数α１より高くなる。モールド樹脂でパッケージングしたセンサ装置が、モールド樹脂のガラス転移温度以上の環境に晒されると、モールド樹脂は線膨張係数α２に応じて膨張する。このモールド樹脂の膨張によって、モールド樹脂に接している複合センサ１も変形し、この変形による高い応力が発生するようになる。
【００３６】
高温環境下で複合センサ１に発生する応力を抑制するため、パッケージ７に加えられる熱負荷の上限温度（高温側）よりもガラス転移温度が高いモールド樹脂を使用する。これによって、センサ装置が晒される熱負荷範囲（例えば、−４０℃〜１２５℃）において特性が安定したトランスファーモールド型センサ装置を提供することが可能となる。なお、低温度域で複合センサに発生する応力を考えた場合、モールド樹脂の線膨張係数α１はよりシリコンに近い方が望ましい。トランスファーモールドでのパッケージ形成は通常１８０℃の温度で行われる。１８０℃からの温度差とモールド樹脂１２の線膨張係数α１に比例した応力が複合センサに生じるため、モールド樹脂１２の線膨張係数α１は上記した７〜１１×１０−６／℃の範囲で、パッケージ構造に応じて選択する。
【００３７】
ここで、本発明者らは、ＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）型パッケージに複合センサ、基板（Ｓｉ基板と中継基板で構成）、およびチップパッドを搭載したセンサ装置について、パッケージ中立面の位置を算出し、中立面の位置とセンサ上部モールド樹脂厚やモールド樹脂体積との関係を検討した。パッケージ中立面は、図１７に示す積層はり理論の式を用いて算出した。
【００３８】
パッケージ厚を１とした場合、複合センサ（厚さ比０．３２）、基板（厚さ比０．２３）、およびチップパッド（厚さ比０．０５８）を搭載したパッケージについて、複合センサ上部のモールド樹脂厚を変えて中立面を算出し、パッケージ上面から中立面までの距離と複合センサの位置関係を求めた結果を図１８に示す。図１８の例では、各部材を上記した厚さに設定することによって、複合センサを中立面上に配置できている。
さらに、中立面上下のモールド樹脂体積比を算出し、この樹脂体積比とセンサ上部樹脂厚との関係を図１９に示すように図示して、中立面上下の樹脂体積が等しくなるセンサ上部樹脂厚を求めた。その結果、上記した部材構成ではセンサ上部の樹脂厚０．１６５で中立面上下の樹脂体積が等しくなる。中立面上下部分の樹脂体積が同じであるので、パッケージ全体の反り変形が抑制されるようになり、さらに他の部材より厚く剛性の高い複合センサが中立面上に配置できるため、複合センサに生じる応力の低減が可能となる。
複合センサに生じる応力の抑制を考えれば、センサ上部の樹脂厚比が０．１６５（パッケージ厚１の場合）となるようにパッケージ厚さ方向に部材を配置すれば良いが、実際のパッケージでは、次のような因子も考慮する必要がある。センサと外部との信号のやりとりを行うため、センサ主面にワイヤを接続する場合がある。この場合、接続したワイヤがパッケージ表面から露出しないようにするための樹脂厚を確保する必要がある。また、パッケージ搭載部材上部および下部のレジン厚に差異があると、金型を用いてパッケージを成型する時に、上下部のモールド樹脂の流動挙動が異なり、パッケージにボイド（空孔）や樹脂未充填部が生じるようになる。したがって、上記した中立面上下の樹脂体積バランスを確保しつつ、ワイヤボンディングやモールド樹脂の流動性にも考慮したパッケージ内での部材配置が必要となる。
図２０は、センサ上部モールド樹脂厚比０．１６５（パッケージ厚１として）のパッケージ反りを０として、モールド樹脂の線膨張係数α１を７×１０−６／℃と１１×１０−６／℃にした場合それぞれの反り変化を示してある。中立面上下のモールド樹脂体積が等しくなるセンサ上部モールド樹脂厚さから厚さを増減させると、図２０に示すように、パッケージの反り変形量が変化する。パッケージが反ることによって複合センサが変形し、高い応力が発生するようになる。しかしながら、本発明では、複合センサの剛性を高くしているので、パッケージ反り量が０となる位置から多少ずれた場合でも、複合センサに生じる応力を抑制することができる。このずれ量は中立面が複合センサ上となる範囲であることが望ましい。したがって、それぞれ厚さが異なる複合センサ、基板、およびチップパッドをパッケージ内で積層して搭載する場合は、複合センサを他の部材より厚くし、パッケージの中立面上に複合センサを配置する。さらに、中立面上下のモールド樹脂体積の差異が小さくなるように、ワイヤボンディングや樹脂流動性も考慮してパッケージ厚さ方向の配置を決めるのが望ましい。
【００３９】
本実施例では、複合センサ１の搭載断面におけるパッケージ中立面１３上に複合センサ１を配置し、かつパッケージ中立面上下のモールド樹脂１２の体積がほぼ等しくなるように複合センサ１や半導体素子４、およびチップパッド８を層配置する。しかしながら、複合センサ１や半導体素子４などの部材厚さとパッケージ厚さの関係から、中立面１３上下のモールド樹脂１２の体積を等しくできない場合がある。この要因のひとつに、複合センサ１の主面１ａに接続したワイヤ６をモールド樹脂１２から露出しないようにするために、複合センサ１上部のモールド樹脂厚さｔ１をある程度確保することがある。また、複合センサ１上部のモールド樹脂厚ｔ１とチップパッド８下部の樹脂厚ｔ２に差異があると、パッケージ形成時の金型内における上記モールド樹脂部（ｔ１、ｔ２）の樹脂流動性に違いが生じ、パッケージ内にボイドや封止樹脂未充填部が生じる場合がある。このボイドや樹脂未充填部発生を防止するため、中立面１３上下のモールド樹脂１２の体積バランスを変える必要が生じる場合がある。このような場合、図２０に示した複合センサ上部モールド樹脂厚とパッケージ反り量の関係を参考に、パッケージ反りを最小にしてワイヤ８の露出や樹脂流動性を考慮したモールド樹脂１２のパッケージ内バランスを決めることになる。
【００４０】
図４は、図１に示したトランスファーモールド型センサ装置を、外部の実装基板に実装した例を示す断面図である。図４において、アウターリード１０の先端部は実装基板１４の対応する図示されていない電極部に位置合わせして搭載され、はんだ１５によって接合される。図４のようにセンサ装置が外部の実装基板１４に実装された状態であっても、先に説明したパッケージ変形抑制手段が成されていれば、複合センサに生じる変形や応力を抑制し、センサ出力を安定させることが可能である。
【００４１】
次に、トランスファーモールド型センサ装置のその他の実施例の一例である実施例２について図５乃至図７を用いて説明する。
【００４２】
先の実施例と異なる点は、中継基板５を用いずに複合センサ１、半導体素子４をチップパッド８上に積層配置していることである。部材間の電気的接続は、図１に示した実施例と同じワイヤ６で行い、複合センサ１と半導体素子４との間、および半導体素子４とインナーリード９との間をそれぞれ図示していないワイヤ６で接続して電気的接続を行っている。
【００４３】
本実施例においても、複合センサ１は、半導体素子４やチップパッド８より厚く高剛性化され、パッケージの中立面１３上に配置されており、中立面１３上下のモールド樹脂１２の体積がほぼ等しくなるように吊りリード１１が折り曲げられている。これらの構成によって、温度変化などによって生じるパッケージ７の変形を抑制し、複合センサ１に生じる応力を低減することができる。さらに本実施例でも、複合センサ１の加速度センサ部３を図２や図３のように、パッケージ７が反り変形した場合に変化率が少ない領域に配置する。これによって、パッケージ７に反りが生じても加速度センサ部３は、水平状態を維持することができ、検出誤差の発生を防止することができる。
【００４４】
また、本実施例のトランスファーモールド型センサ装置では、中継基板５を用いずにパッケージ７内部のワイヤ６による電気的接続を行っている。中継基板５を用いることで、複合センサ１のワイヤ６を接続する電極と、半導体素子４の電極との位置関係に整合性が無い場合でも、中継基板５を用いて両者を電気的に接続することができる。しかしながら、ワイヤ本数が増加するため製造コストが高くなる場合もあるため、中継基板５を用いない複合センサ１や半導体素子４のパッケージングはコストの面で効果が得られる。また、中継基板５が無い分だけ、パッケージ７の薄型化を図ることもできる。
【００４５】
次に、トランスファーモールド型センサ装置のその他の実施例の一例である実施例３の様態を、図８および図９を用いて説明する。  
先に示した実施例と異なる点は、複合センサ１の角速度センサ部２と加速度センサ部３が一体化しておらず、分離した状態で半導体素子４上に搭載されていることである。部材間の電気的接続は、図１に示した実施例と同じワイヤ６で行い、角速度センサ部２、加速度センサ部３と半導体素子４との間、および半導体素子４とインナーリード９との間をそれぞれ図示していないワイヤ６で接続して電気的接続を行っている。加速度センサ部３は、図９に併記したＸＹ座標に関して、パッケージ７の長手方向であるＸ方向に感度があるＸ方向加速度センサ３ｘと、パッケージ７の短手方向であるＹ方向に感度を持つＹ方向加速度センサ３ｙから構成されている。本実施例では、Ｘ方向加速度センサ３ｘおよびＹ方向加速度センサ３ｙはＹ方向に並んで配置されている。
【００４６】
本実施例においても、複合センサ１を構成する角速度センサ部２および加速度センサ部３は、半導体素子４やチップパッド８より厚く高剛性化され、パッケージの中立面１３上に配置されており、中立面１３上下のモールド樹脂１２の体積がほぼ等しくなるように吊りリード１１が折り曲げられている。これらの構成によって、温度変化などによって生じるパッケージ７の変形を抑制し、複合センサ１に生じる応力を低減することができる。さらに本実施例でも、複合センサ１の加速度センサ部３を、パッケージ７の中心部であって、パッケージ７が反り変形した場合に変化率が少ない領域に配置する。本実施例では、加速度センサ部３と角速度センサ部２を分離しているので、加速度センサ部３の搭載自由度を高くすることができる。これによって、加速度センサ部３をパッケージ７に反り変化率の最も少ない領域に搭載することが可能となる。
【００４７】
実施例３に示したトランスファーモールド型センサ装置の他の様態を図１０および図１１を用いて説明する。
【００４８】
図８、図９に示した実施例３と異なるのは、実施例３では加速度センサ部３のＸ方向加速度センサ３ｘとＹ方向加速度センサ３ｙを、図１０に図示したＹ方向（パッケージ７の短手方向）に並べて配置したのに対して、Ｘ方向（パッケージ７の長手方向）に並べて配置し、Ｘ方向加速度センサ３ｘを、角速度センサ部２の側でかつパッケージ７の長手方向（Ｘ方向）の中心線１６近くに搭載したことである。さらに、Ｙ方向加速度センサ３ｙを、パッケージ７の短手方向（Ｙ方向）の中心線１７上に搭載したことである。
【００４９】
これらの構成によって、実施例３と同様の効果が得られるとともに、モールド樹脂１２が吸湿して膨張したことによるパッケージ７の変形も考慮したセンサ出力の安定化も図ることができる。
【００５０】
モールド樹脂１２は吸湿によって膨張（一般に膨潤と呼ばれる現象）することが知られている。この場合、パッケージ７に温度変化が加わったのとは異なり、モールド樹脂１２のみが膨張することでパッケージ７に変形が生じる。これまでの実施例で述べたように複合センサ１をパッケージ７の中立面上に配置し、中立面上下のモールド樹脂体積をほぼ同じにすることで、パッケージ７の反り変形（面外変形）を抑制し、複合センサ１に生じる応力を低減することができる。パッケージ７が吸湿した場合、パッケージ７の反り変形は抑制されるが、モールド樹脂１２は膨潤によって面内に変形（膨張）するため、この変形に応じて複合センサ１も変形するようになる。この場合のモールド樹脂１２の変形量はパッケージ７の中心からの距離と相関があり、パッケージ７の中心から離れるとともに変形量が増加するため、加速度センサ部３はＸ方向、Ｙ方向の両方ともにそれぞれの中心線上もしくは近傍に配置するのが良い。
【００５１】
図１１に示したような加速度センサ部３の配置にすることによって、Ｘ方向加速度センサ３ｘおよびＹ方向加速度センサ３ｙはそれぞれ、Ｘ方向、Ｙ方向のパッケージ７の中心部に配置されるようになり、モールド樹脂１２が吸湿したことによる変形に対しても、センサ出力の変動を抑えることが可能となる。
【００５２】
次に、トランスファーモールド型センサ装置のその他の実施例の一例である実施例４の様態の様態を、図を用いて説明する。
【００５３】
先の実施例と異なる点は、複合センサ１の角速度センサ部２と加速度センサ部３が分離しており、半導体素子４上であって、順に角速度センサ部２、加速度センサ部３が積層状態で搭載されていることである。図１２の実施例では、半導体素子４上に角速度センサ部２が図示されていない接合材を介して接着され、角速度センサ部２の主面２ａ上に同じく図示されていない接合材によって加速度センサ部３が接着されている。これら部材間およびインナーリード９との電気的接続は、図１に示した実施例と同様にワイヤ６で行い、角速度センサ部２、加速度センサ部３と半導体素子４との間、および半導体素子４とインナーリード９との間をそれぞれ図示していないワイヤ６で接続して電気的接続を行っている。加速度センサ部３の主面３ａと角速度センサ部２の主面２ａの一部は、いずれもモールド樹脂１２で覆われている。また、加速度センサ部３の裏面３ｂは角速度センサ部２の主面２ａに、角速度センサ部２の裏面２ｂは半導体素子４の上面にそれぞれ図示されていない接合材を介して接している。複合センサ１を構成する加速度センサ部３は、パッケージ厚さ方向の中立面１３上に配置できるように、パッケージ７内部での厚さ方向の位置や角速度センサ部２や半導体素子４などの厚さ、およびチップパッド８のヤング率を調整している。
【００５４】
加速度センサ部３は、図１３に併記したＸＹ座標に関して、Ｘ方向に感度があるＸ方向加速度センサ３ｘと、Ｙ方向に感度を持つＹ方向加速度センサ３ｙから構成されている。Ｘ方向加速度センサ３ｘおよびＹ方向加速度センサ３ｙは、Ｙ方向に並んで配置されている。
【００５５】
図１２に示したように、角速度センサ部２と加速度センサ部３を分離して積層実装することにより、角速度センサ部２と加速度センサ部３の両者をパッケージ７の中心部に配置することができる。さらにＸ方向加速度センサ３ｘ、Ｙ方向加速度センサ３ｙの少なくとも一つのセンサをパッケージ中心線１６、１７上に配置することができるようになる。図１２の例では、Ｘ方向加速度センサ３ｘが、Ｘ方向中心線１６上に配置されている。
【００５６】
本実施例でも、パッケージ７の中立面１３上に加速度センサ部３を配置しているので、パッケージ７に熱変化が加わって反り変形しても、加速度センサ部３に生じる応力を低減することができる。また、加速度センサ部３の厚さを他の部材より厚くして剛性を高くしているので、より応力を低減できる。角速度センサ部２と加速度センサ部３を共にパッケージ７の中心部に配置することで、パッケージ７の中心部が反り変形の変化率が最も少ない領域となる。これによって、パッケージ７に反りが生じても、加速度センサ部３は水平状態を維持することができ、検出誤差の発生を防止することができる。さらに、モールド樹脂１２が吸湿して膨潤した場合でも、加速度センサ部３に生じる変形を低減することができ、センサ出力変動の抑制が可能となる。これらの構成によって、熱変化やモールド樹脂１２の吸湿によってパッケージ７が変形しても、加速度センサ部３内部の図示していないくし歯構造体が変形するのを抑制でき、検出対象とする物理量の検出安定性を向上させ、検出誤差の少ないセンサ装置の提供が可能となる。
【００５７】
図１２、図１３に示した本発明の実施例４の他の様態について図１４を用いて説明する。実施例４と異なる点は、Ｘ方向加速度センサ３ｘおよびＹ方向加速度センサ３ｙをパッケージ７の長手方向であるＹ方向に並べて実装していることである。このような実装によって、Ｘ方向加速度センサ３ｘをＸ方向中心線１６上に、Ｙ方向加速度センサ３ｙをＹ方向中心線１７上にそれぞれセンサを配置することができる。Ｘ、Ｙ両方向の加速度センサをそれぞれの中心線上に配置することで、特にモールド樹脂１２が吸湿したことによる変形による加速度センサ部３の出力変動抑制に効果が得られる。
【００５８】
実施例４のさらなる他の様態について図１５および図１６を用いて説明する。
【００５９】
実施例４と異なる点は、半導体素子４の上に、半導体素子４側から順に加速度センサ部３、角速度センサ部２を積層して実装したことである。加速度センサ部３は、パッケージ厚さ方向の中立面１３上に配置できるように、各実装部材のパッケージ７内部での厚さ方向位置を調整している。
【００６０】
この実施例では、加速度センサ部３の上下がほぼ同じ剛性の部材、角速度センサ部２と半導体素子４とで覆われている。この構成によって、加速度センサ部３をパッケージ中立面１３上に配置するために、角速度センサ部２や半導体素子４などの厚さを調整する必要がなく、角速度センサ部２の厚さを加速度センサ部３とほぼ同じにすることができる。これによって、角速度センサ部３の剛性を維持し、このセンサに発生する応力を低減することで、角速度センサ部３の出力変動抑制も可能となる。
【００６１】
また、加速度センサ部３の主面３ａの大部分が角速度センサ部２で覆われ、モールド樹脂１２との接触面積を少なくすることができる。この構成により、モールド樹脂１２の熱変形や膨潤による変形の影響が減少し、加速度センサ部３の変形を抑制する効果が得られる。さらに本構成によって、パッケージ７の最上部（図の上方向）にある角速度センサ部２の上側モールド樹脂１２の厚さと、最下部のチップパッド８の下側モールド樹脂１２の厚さをほぼ同じにすることができる。これによって、パッケージ形成時の金型内におけるパッケージ上下部分の樹脂流動性がほぼ同じとなり、パッケージ内にボイドやモールド樹脂未充填部が生じるのを防止することができる。
【００６２】
なお、実施例中に説明した複合センサは１軸（１方向）の角速度センサ部と２軸（２方向）の加速度センサ部を搭載したセンサ装置を例として示した。各センサ部の検出軸は実施例に示した範囲に限定されるものではなく、例えば加速度センサ部は１軸だけでも良いし、３軸以上であっても成立する。
【符号の説明】
【００６３】
１…複合センサ、２…角速度センサ、３…加速度センサ、４…半導体素子、５…中継基板、６…ワイヤ、７…パッケージ、８…チップパッド、９…インナーリード、１０…アウターリード、１１…吊りリード、１２…封止樹脂、１３…中立面、１４…実装基板、１５…はんだ、１６…パッケージ長手方向の中心線、１７…パッケージ短手方向の中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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