(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部および表面に複数の配線導体を有するとともに一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を、他方の主面に前記配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極および該第一電極を取り囲み前記配線導体の他の一つに電気的に接続された枠状の第一接合用メタライズ層を有する絶縁基体と、一方の主面に前記第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極および該第二電極に電気的に接続され、かつ前記第一接合用メタライズ層にろう付けされた枠状の第二接合用メタライズ層を有し、前記絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で前記絶縁基体に接合された絶縁板とから成る圧力検出装置用パッケージであって、前記絶縁板はその一方の主面の外周部に枠状の突起部が形成されているとともに該突起部主面の内周縁から0.05ｍｍ以上離間した位置に前記第二接合用メタライズ層が被着形成されていることを特徴とする圧力検出装置用パッケージ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧力を検出するための圧力検出装置に使用される圧力検出装置用パッケージに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、圧力を検出するための圧力検出装置として静電容量型の圧力検出装置が知られている。この静電容量型の圧力検出装置は、例えば図２に断面図で示すように、セラミックス材料や樹脂材料から成る配線基板21上に、静電容量型の感圧素子22と、パッケージ28に収容された演算用の半導体素子29とを備えている。感圧素子22は、例えばセラミックス材料等の電気絶縁材料から成り、上面中央部に静電容量形成用の一方の電極23が被着された凹部を有する絶縁基体24と、この絶縁基体24の上面に絶縁基体24との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合されており、下面に静電容量形成用の他方の電極25が被着された絶縁板26と、各静電容量形成用の電極23・25をそれぞれ外部に電気的に接続するための外部リード端子27とから構成されており、外部の圧力に応じて絶縁板26が撓むことにより各静電容量形成用の電極23・25間に形成される静電容量が変化する。そして、この静電容量の変化を演算用の半導体素子29により演算処理することにより外部の圧力を検出することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の圧力検出装置によると、感圧素子22と半導体素子29とを配線基板21上に個別に実装していることから、圧力検出装置が大型化してしまうとともに圧力検出用の電極23・25と半導体素子29との間の配線が長いものとなり、この長い配線間に不要な静電容量が形成されるため感度が低いという問題点を有していた。
【０００４】
そこで、本願出願人は、先に特願2000-178618において、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体と、この絶縁基体の表面および内部に配設されており、半導体素子の各電極が電気的に接続される複数の配線導体と、絶縁基体の他方の主面の中央部に被着されており、配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極と、絶縁基体の他方の主面に、この主面の中央部との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で接合された絶縁板と、この絶縁板の内側主面に第一電極に対向して被着されており、配線導体の他の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第二電極とを具備する圧力検出装置用パッケージを提案した。この圧力検出装置用パッケージによると、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体の他方の主面に静電容量形成用の第一電極を設けるとともに、この第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極を内側主面に有する絶縁板を、絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合させたことから、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型とすることができるとともに圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとすることができる。なお、この特願2000-178618で提案した圧力検出装置用パッケージにおいては、例えば絶縁基体の他方の主面の外周部にセラミックスや金属から成る枠体を第一電極を取り囲むようにして設けておき、この枠体上に第二電極の外周部を銀−銅ろう等のろう材を介してろう付けすることにより絶縁板が絶縁基体に接合されていた。
【０００５】
しかしながら、この特願2000-178618で提案した圧力検出装置用パッケージによると、絶縁基体と絶縁板とを接合する銀−銅ろうから成るろう材は大きな応力により塑性変形を起こしやすいことから、絶縁板に外部の圧力が長期間にわたり大きく印加された場合、絶縁板が撓むことにより発生する応力が絶縁基体と絶縁板とを接合するろう材の内周縁部に大きく作用してろう材に塑性変形が発生してしまい、その結果、圧力の印加が解除されても絶縁板が元の位置に完全には戻らず、外部の圧力を正確に検出することができなくなってしまうという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、かかる上述の問題点に鑑み完成されたものであり、その目的は外部の圧力を長期間にわたり正確に検出することが可能な圧力検出装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧力検出装置用パッケージは、内部および表面に複数の配線導体を有するとともに一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を、他方の主面に配線導体の一つに電気的に接続された静電容量形成用の第一電極および該第一電極を取り囲み配線導体の他の一つに電気的に接続された枠状の第一接合用メタライズ層を有する絶縁基体と、一方の主面に第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極および該第二電極に電気的に接続され、かつ第一接合用メタライズ層にろう付けされた枠状の第二接合用メタライズ層を有し、絶縁基体の他方の主面との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で絶縁基体に接合された絶縁板とから成る圧力検出装置用パッケージであって、絶縁板はその一方の主面の外周部に枠状の突起部が形成されているとともにこの突起部主面の内周縁から0.05ｍｍ以上離間した位置に第二接合用メタライズ層が被着形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、絶縁板の一方の主面の外周部に枠状の突起部が形成されているとともにこの突起部主面の内周縁から0.05ｍｍ以上離間した位置に絶縁基体の第一接合用メタライズ層にろう付けされた第二接合用メタライズ層が被着されていることから、絶縁板に外部の圧力が長期間にわたり大きく印加されたとしても、絶縁板が撓むことにより発生する応力は、突起部の内周根元付近に大きく集中し、絶縁基体と絶縁板とを接合するろう材の内周縁部に大きく作用することはない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図１は、本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図であり、図中、１は絶縁基体、２は絶縁板、３は半導体素子である。
【００１０】
絶縁基体１は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る積層体であり、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することにより複数枚のセラミックグリーンシートを得、しかる後、これらのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工・積層加工・切断加工を施すことにより絶縁基体１用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。
【００１１】
絶縁基体１は、その下面中央部に半導体素子３を収容するための凹部１ａが形成されており、これにより半導体素子３を収容する容器として機能する。そして、この凹部１ａの底面中央部が半導体素子３が搭載される搭載部１ｂとなっており、この搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに凹部１ａ内に例えばエポキシ樹脂等の樹脂製封止材４を充填することにより半導体素子３が封止される。なお、この例では半導体素子３は樹脂製封止材４を凹部１ａ内に充填することにより封止されるが、半導体素子３は絶縁基体１の下面に金属やセラミックスから成る蓋体を凹部１ａを塞ぐように接合させることにより封止されてもよい。
【００１２】
また、搭載部１ｂには半導体素子３の各電極に接続される複数のメタライズ配線導体５が導出しており、このメタライズ配線導体５と半導体素子３の各電極を半田バンプ６等の導電性材料から成る導電性接合部材を介して接合することにより半導体素子３の各電極と各メタライズ配線導体５とが電気的に接続されるとともに半導体素子３が搭載部１ｂに固定される。なお、この例では、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とは半田バンプ６を介して接続されるが、半導体素子３の電極とメタライズ配線導体５とはボンディングワイヤ等の他の種類の電気的接続手段により接続されてもよい。
【００１３】
メタライズ配線導体５は、半導体素子３の各電極を外部電気回路および後述する第一電極７・第二電極９に電気的に接続するための導電路として機能し、その一部は絶縁基体１の外周下面に導出し、別の一部は第一電極７・第二電極９に電気的に接続されている。そして、半導体素子３の各電極をこれらのメタライズ配線導体５に導電性接合材を介して電気的に接続するとともに半導体素子３を樹脂製封止材４で封止した後、メタライズ配線導体５の絶縁基体１外周下面に導出した部位を外部電気回路基板の配線導体に半田等の導電性接合材を介して接合することにより、内部に収容する半導体素子３が外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００１４】
このようなメタライズ配線導体５は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤等を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の内部および表面に所定のパターンに形成される。なお、メタライズ配線導体５の表面には、メタライズ配線導体５が酸化腐食するのを防止するとともにメタライズ配線導体５と半田等の導電性接合材との接合を良好なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層と厚みが0.1〜３μｍ程度の金めっき層とが順次被着されている。
【００１５】
また、絶縁基体１の上面中央部には静電容量形成用の第一電極７が被着されている。この第一電極７は、後述する第二電極９とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形のパターンに形成されている。そして、この第一電極７にはメタライズ配線導体５の一つ５ａが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ａに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して接続すると半導体素子３の電極と第一電極７とが電気的に接続されるようになっている。
【００１６】
このような第一電極７は、厚みが10〜50μｍ程度のタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の上面中央部に所定のパターンに形成される。なお、第一電極７の表面には、第一電極７が酸化腐食するのを防止するために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００１７】
また、絶縁基体１の上面外周部には第一電極７を取り囲む略円形や略八角形の枠状の第一接合用メタライズ層８が被着されている。第一接合用メタライズ層８は、絶縁基体１に絶縁板２を接合するための下地金属として機能し、この第一接合用メタライズ層８には下面に第二電極９およびこの第二電極９に電気的に接続された第二接合用メタライズ層10を有する絶縁板２が第二接合用メタライズ層10と第一接合用メタライズ層８とを銀−銅ろう等のろう材11を介してろう付けすることにより接合されている。
【００１８】
この第一接合用メタライズ層８にはメタライズ配線導体５の一つ５ｂが接続されており、それによりこのメタライズ配線導体５ｂに半導体素子３の電極を半田バンプ６等の導電性接合材を介して電気的に接続すると、半導体素子３の電極と第二電極９とが電気的に接続されるようになっている。
【００１９】
このような第一接合用メタライズ層８は、タングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁基体１用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁基体１用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁基体１の上面外周部に枠状の所定のパターンに形成される。
【００２０】
なお、第一接合用メタライズ層８の表面には、第一接合用メタライズ層８が酸化腐食するのを防止するとともに第一接合用メタライズ層８とろう材との接合を強固なものとするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００２１】
また、絶縁基体１の上面に取着された絶縁板２は、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る略四角または略八角あるいは円形等の略平板であり、その絶縁基体１側主面の外周部に枠状の突起部２ａを有している。そして、外部の圧力に応じて絶縁基体１側に撓むいわゆる圧力検出用のダイアフラムとして機能する。
【００２２】
なお、絶縁板２は、その中央部の厚みが0.01ｍｍ未満では、その機械的強度が小さいものとなってしまうため、これに大きな外部圧力が印加された場合に破壊されてしまう危険性が大きなものとなり、他方、中央部の厚みが５ｍｍを超えると、小さな圧力では撓みにくくなり、圧力検出用のダイアフラムとしては不適となってしまう。したがって、絶縁板２の中央部の厚みは0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。また、突起部２ａの高さが0.01ｍｍ未満では、絶縁基体１と絶縁板２との間に形成される隙間が狭いものとなりすぎて、絶縁板２に圧力が印加された際に第一電極７と第二電極９とが接触してしまう危険性が大きなものとなり、他方、突起部２ａの高さが５ｍｍを超えると、第一電極７と第二電極９との間に形成される静電容量が小さなものとなって感圧素子の感度が低くなってしまう。したがって、突起部２ａの高さは0.01〜５ｍｍの範囲が好ましい。
【００２３】
このような絶縁板２は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合であれば、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等のセラミック原料粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクタブレード法を採用してシート状に成形することによりセラミックグリーンシートを得、しかる後、このセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工や切断加工を施すことにより絶縁板２用の生セラミック成形体を得るとともにこの生セラミック成形体を約1600℃の温度で焼成することにより製作される。
【００２４】
また、絶縁板２の下面にはその中央部に第一電極７と対向する静電容量形成用の第二電極９が被着されている。この第二電極９は、前述の第一電極７とともに感圧素子用の静電容量を形成するためのものであり、例えば略円形のパターンに形成されている。
【００２５】
このような第二電極９は、厚みが10〜50μｍ程度のタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁板２用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁板２用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁板２の下面中央部に所定のパターンに形成される。なお、第二電極９の表面には、第二電極９が酸化腐食するのを防止するために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００２６】
さらに、絶縁板２の突起部２ａ下面には第二電極９に電気的に接続された略円形や略八角形の枠状の第二接合用メタライズ層10が突起部２ａの内周から0.05ｍｍ以上離間した位置に被着されている。この第二接合用メタライズ層10は、絶縁板２を絶縁基体１に接合するための接合用下地金属層として機能し、第二接合用メタライズ層10と第一接合用メタライズ層８とを銀−銅ろう等のろう材11を介してろう付けすることにより絶縁基体１と絶縁板２とが接合されるとともに第一接合用メタライズ層８と第二接合用メタライズ層10とが電気的に接続される。
【００２７】
このとき、第一電極７と第二電極９とは、絶縁基体１と絶縁板２との間に形成された密閉空間を挟んで対向しており、これらの間には、第一電極７や第二電極９の面積および第一電極７と第二電極９との間隔に応じて所定の静電容量が形成される。そして、絶縁板２の上面に外部の圧力が印加されると、その圧力に応じて絶縁板２が絶縁基体１側に撓んで第一電極７と第二電極９との間隔が変わり、それにより第一電極７と第二電極９との間の静電容量が変化するので、外部の圧力の変化を静電容量の変化として感知する感圧素子として機能する。そして、この静電容量の変化を凹部１ａ内に収容した半導体素子３にメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して伝達し、これを半導体素子３で演算処理することによって外部の圧力の大きさを知ることができる。
【００２８】
また、第二接合用メタライズ層10は突起部２ａの下面に突起部２ａの内周から0.05ｍｍ以上離間して被着されていることから、絶縁板２が外部の圧力により大きく撓んだとしても、その撓みにより発生する応力は、突起部２ａの内周の根元付近に大きく集中し、ろう材11の内周縁部に大きく作用することはない。したがって、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、絶縁板２に外部の圧力が長期間にわたり大きく印加されたとしてもろう材11に塑性変形が発生することはなく、外部の圧力を長期間にわたり正確に検出することが可能な圧力検出装置を提供することができる。
【００２９】
なお、第二接合用メタライズ層10は、突起部２ａの内周から0.05ｍｍ未満離間した位置に被着形成されていると、絶縁板２が外部の圧力により大きく撓んだ際に発生する応力がろう材11の内周縁部に大きく印加されてろう材11に塑性変形が発生する危険性が大きくなるとともに、その応力が突起部２ａの内周側面と下面との間の角部に大きく印加されて絶縁板２にクラックや欠けが発生する危険性が大きくなる。したがって、第二接合用メタライズ層10の形成位置は、突起部２ａの内周から0.05ｍｍ以上離間した位置に特定される。
【００３０】
このような第二接合用メタライズ層10は、厚みが10〜50μｍ程度のタングステンやモリブデン・銅・銀等の金属粉末メタライズから成り、タングステン等の金属粉末に適当な有機バインダ・溶剤・可塑剤・分散剤を添加混合して得たメタライズペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用して絶縁板２用のセラミックグリーンシートに印刷塗布し、これを絶縁板２用の生セラミック成形体とともに焼成することによって絶縁板２の突起部２ａ下面に所定のパターンに形成される。
【００３１】
なお、第二接合用メタライズ層10の表面には、第二接合用メタライズ層10が酸化腐食するのを防止するとともに第二接合用メタライズ層10とろう材11との接合を良好とするために、通常であれば、厚みが１〜10μｍ程度のニッケルめっき層が被着されている。
【００３２】
このように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子３が搭載される絶縁基体１の他方の主面に、静電容量形成用の第一電極７を設けるとともにこの第一電極７に対向する静電容量形成用の第二電極９を一方の主面に有する絶縁板２を絶縁基体１との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で接合させたことから、半導体素子３を収容する容器と感圧素子とが一体となり、その結果、圧力検出装置を小型化することができる。また、静電容量形成用の第一電極７および第二電極９を、絶縁基体１に設けたメタライズ配線導体５ａ・５ｂを介して半導体素子３に接続することから、第一電極７および第二電極９を短い距離で半導体素子３に接続することができ、その結果、これらのメタライズ配線導体５ａ・５ｂ間に発生する不要な静電容量を小さなものとして感度の高い圧力検出装置を提供することができる。
【００３３】
なお、絶縁基体１に絶縁板２を接合するには、第一接合用メタライズ層８および第二接合用メタライズ層10の表面に予め１〜10μｍ程度の厚みのニッケルめっき層をそれぞれ被着させておくとともに、第一接合用メタライズ層８と第二接合用メタライズ層10との間に厚みが10〜200μｍ程度の銀−銅ろうから成るろう材箔を挟んで絶縁基体１と絶縁板２とを重ね合わせ、これらを還元雰囲気中、約850℃の温度に加熱してろう材箔を溶融させて第一接合用メタライズ層８と第二接合用メタライズ層10とをろう付けする方法が採用される。
【００３４】
かくして、上述の圧力検出装置用パッケージによれば、搭載部１ｂに半導体素子３を搭載するとともに半導体素子３の各電極とメタライズ配線導体５とを電気的に接続し、しかる後、半導体素子３を封止することによって小型でかつ感度が高い圧力検出装置となる。
【００３５】
なお、本発明は、上述の実施の形態の一例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であることはいうまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の圧力検出装置用パッケージによれば、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する絶縁基体の他方の主面の中央部に静電容量形成用の第一電極を設けるとともに、この第一電極に対向する静電容量形成用の第二電極を有する絶縁板を、絶縁基体との間に密閉空間を形成するようにして可撓な状態で接合させたことから、半導体素子を収容するパッケージに感圧素子が一体に形成され、その結果、圧力検出装置を小型とすることができるとともに圧力検出用の電極と半導体素子とを接続する配線を短いものとして、これらの配線間に発生する不要な静電容量を小さなものとすることができる。さらに絶縁板の内側主面の外周部に枠状の突起部が形成されているとともにこの突起部主面の内周縁から0.05ｍｍ以上離間した位置に絶縁基体の第一接合用メタライズ層にろう付けされた第二接合用メタライズ層が被着されていることから、絶縁板に外部の圧力が長期間にわたり大きく印加されたとしても、絶縁板が撓むことにより発生する応力は、突起部の内周根元付近に大きく集中し、絶縁基体と絶縁板とを接合するろう材の内周縁部に大きく作用することはない。したがって、絶縁板に外部の圧力が長期間にわたり大きく印加されたとしてもろう材に塑性変形が発生することはなく、外部の圧力を長期間にわたり正確に検出することが可能な圧力検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力検出装置用パッケージの実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来の圧力検出装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・絶縁基体
２・・・・・絶縁板
２ａ・・・・突起部
３・・・・・半導体素子
７・・・・・第一電極
８・・・・・第一接合用メタライズ層
９・・・・・第二電極
10・・・・・第二接合用メタライズ層
11・・・・・ろう材
【図１】
0004794072.tif 000002
【図２】
0004794072.tif 000003