(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とする半導体加速度センサ。
【請求項２】
上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続することを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【請求項３】
上記本体回路基板を収納するカバーを備え、本体回路基板又はカバーのいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けたことを特徴とする請求項１記載の半導体加速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上にピエゾ抵抗を形成し、加速度や衝撃を電気信号に変換して出力する半導体加速度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の半導体加速度センサとしては図９に示すような構造を有するものがあり、この半導体加速度センサＡは、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗により加速度や衝撃を電気信号に変換して出力するセンサチップ１と、センサチップ１の出力を信号処理する信号処理用ＩＣ２と、例えばセラミックやポリイミド樹脂などから形成され、センサチップ１や信号処理用ＩＣ２や外部接続用の端子ピン３などが実装された本体回路基板４と、本体回路基板４に被着されるカバー５とから構成される。センサチップ１は、図１０に示すように、本体回路基板４にダイボンドペースト９を用いて固定され、センサチップ１のパッド６と、本体回路基板４の電極７とをボンディングワイヤ８を介して電気的に接続した後、本体回路基板４をカバー５で封止して形成されており、外部の衝撃や電磁波ノイズからセンサチップ１を保護していた（例えば、特開平９−１８４８５１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の半導体加速度センサでは、センサチップ１に加速度（応力）が印加されると、半導体基板上に形成されたピエゾ抵抗の抵抗値が変化し、この抵抗値の変化から加速度を検出しているので、センサチップ１に余計な応力が加わると、この応力をセンサチップ１が誤検出し、センサ特性が悪化するという問題があった。
【０００４】
また、従来の半導体加速度センサでは、センサチップ１をダイボンドペースト９を用いて本体回路基板４に固定しているので、センサチップ１、本体回路基板４及びダイボンドペースト９の線熱膨張係数や弾性係数などの差によって熱応力が発生するため、この熱応力をセンサチップ１が誤検出して、センサ特性に悪影響を与えるという問題もあった。
【０００５】
さらに、半導体加速度センサは所定の検知軸方向から加わる加速度や衝撃を検出するため、所定の検知軸方向に対してのみ感度特性を持っている。すなわち、理想的には検知軸方向に対して完全に直交する方向から加速度が加わったとしてもセンサチップ１の出力は発生しない。しかしながら、実際にはセンサチップ１は検知軸方向と異なる方向から加わる加速度を検知してしまうので、検知軸方向と異なる方向の感度を他軸感度として規定し、この他軸感度をある範囲内で管理する必要がある。
【０００６】
例えば、センサチップ１を本体回路基板４に実装する工程で他軸感度を管理するためには、センサチップ１の本体回路基板４に対する固定角度を管理する必要があり、センサチップ１をダイボンドペースト９により本体回路基板４に実装する場合、センサチップ１の本体回路基板４に対する固定角度は、ダイボンダのチップマウント精度や、ダイボンドペースト９の流動などに依存するため、他軸感度を管理しにくいという問題がある。さらに、製造コストの低減やセンサ全体の小型化を図るためにセンサチップ１が小型化するにつれて、センサチップ１の本体回路基板４に対する固定角度はますます管理しにくくなり、他軸感度が悪化する虞がある。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、センサチップの固定によるセンサ特性への影響を低減した半導体加速度センサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とし、センサチップの固定にボンディングペーストを用いていないので、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップに発生する熱応力が低減され、熱応力によるセンサ特性の悪化を防止することができる。
【０００９】
しかも、フレキシブル基板にキャップが入り込む開口を設けているので、上部キャップを開口に挿入することにより、フレキシブル基板を上部キャップの形状に合わせて曲げる必要がなく、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）技術を応用した自動化を容易に行うことができる。
【００１０】
さらに、上記開口の端部を、センサチップの位置決めを行えるような形状に形成しているので、開口の端部でセンサチップを位置決めすることができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度を精度良く管理することができる。
請求項２の発明では、請求項１の発明において、上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続しているので、センサチップの出力端子の内、選択された出力端子にのみバンプを形成すれば、選択された出力端子のみをフレキシブル基板に接続することができる。
【００１１】
請求項３の発明では、請求項１の発明において、上記本体回路基板を収納するカバーを備え、本体回路基板又はカバーのいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けているので、この突起を用いてフレキシブル基板を位置決めすることにより、フレキシブル基板の取付位置を精度良く管理することができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度の精度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（基本構成）
本発明にかかる半導体加速度センサの基本構成を図１及び図２に基づいて説明する。
センサチップ１は、重り部２１と、重り部２１をビーム（梁）２２を介して揺動自在に支持する支持部２３とが、シリコン基板（半導体基板）をエッチング加工することにより形成されたセンシングエレメント２０を有し、ビーム２２の表面にはビーム２２の撓みに応じて抵抗値が変化するピエゾ抵抗２４がセンシングエレメント２０への拡散技術などにより形成されている。センシングエレメント２０の上下には上部キャップ２５、下部キャップ２６がそれぞれ固定されている。上部キャップ２５及び下部キャップ２６はセンシングエレメント２０を封止するためのものであり、センシングエレメント２０と略同様の熱膨張率を有するガラス（耐熱ガラス）で形成してある。また、上部キャップ２５の両側のセンシングエレメント２０の表面にはアルミニウム等からなる出力端子としてのパッド２７が複数形成されている。さらに、図２（ａ）に示すように、下部キャップ２６のセンシングエレメント２０に対向する面には、重り部２１の揺動空間を確保するための凹所２６ａが形成され、上部キャップ２５のセンシングエレメント２０に対向する面にも同様の凹所が形成されている。また、上部キャップ２５及び下部キャップ２６の重り部２１と対向する部位には、重り部２１の揺動を規制するストッパ（図示せず）がそれぞれ形成されており、センサチップ１に過大な加速度が印加された時に、ビーム２２が破損するのを防止している。
【００１６】
而して、図２（ａ）中の上下方向の加速度がセンサチップ１に印加されると、その加速度の大きさに応じて重り部２１が揺動して、ビーム２２が撓み、その結果ビーム２２に歪による応力が発生し、ピエゾ効果によってピエゾ抵抗２４の抵抗値が変化する。したがって、この抵抗値変化を電圧出力として取り出すことで、センサチップ１に印加された加速度を検出することができる。
【００１７】
この半導体加速度センサでは、フレキシブル基板１０を介してセンサチップ１が本体回路基板４に電気的且つ機械的に接続されている。略矩形状のフレキシブル基板１０の長手方向略中央にはセンサチップ１の上部キャップ２５が入り込む開口１１が形成され、長手方向両端部で開口１１を挟んで対角の位置にはそれぞれ孔１２，１２が形成されている。また、フレキシブル基板１０の長手方向における開口１１の両側のフレキシブル基板１０の部位には、センサチップ１と本体回路基板４とを電気的に接続するための導体パターン１３がフレキシブル基板１０の長手方向に沿って複数設けられている。なお、フレキシブル基板１０以外の構成は、図９に示す半導体加速度センサと同様であるので、共通する部分の図示及び説明は省略する。
【００１８】
以下に、フレキシブル基板１０を用いてセンサチップ１を本体回路基板４に取り付ける方法を説明する。まず、フレキシブル基板１０の開口１１にセンサチップ１の上部キャップ２５を挿入して、センサチップ１のパッド２７とフレキシブル基板１０の導体パターン１３とを例えばバンプにより電気的に接続する。次に、本体回路基板４に突設された位置決め用の突起１４，１４をフレキシブル基板１０の孔１２，１２に挿入して、フレキシブル基板１０の位置決めを行い、フレキシブル基板１０の導体パターン１３と本体回路基板４の端子とを半田付けなどによって電気的に接続すると、センサチップ１が本体回路基板４に電気的に接続されるとともに、フレキシブル基板１０によりセンサチップ１が本体回路基板４に固定される。このように、この半導体加速度センサではフレキシブル基板１０を用いてセンサチップ１を本体回路基板４に電気的且つ機械的に接続しており、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップ１に発生する熱応力が低減され、センサチップ１のセンサ特性が悪化するのを防止できる。
【００１９】
上述のように、フレキシブル基板１０を介してセンサチップ１を本体回路基板４に電気的且つ機械的に接続し、センサチップ１のオフセット電圧（センサチップ１に加速度が印加されていない時に発生する出力電圧）やセンサ感度及びそれらの温度特性の補正などを本体回路基板４上の回路で行った後、本体回路基板４に外部接続用の端子ピン３を半田付けなどで接続する。その後、本体回路基板４をカバー５内に入れ、カバー５内の隙間に樹脂等を注入して、半導体加速度センサＡを形成する。尚、半導体加速度センサＡは例えば自動車等に用いられるＡＢＳ装置やエアバック装置などの制御回路に組み込まれて使用される。また、この半導体加速度センサでは、センサチップ１の位置決め用の突起１４を本体回路基板４に設けているが、本体回路基板４を収納するカバー５にセンサチップ１の位置決め用の突起１４を設けても良く、センサチップ１の位置決め精度が向上する。
【００２０】
ところで、ピエゾ抵抗２４を用いるセンサチップ１では、オフセット電圧を低くするために抵抗値の補正（タップ補正）を行う必要がある。タップ補正の方法としては、ウェハ段階でセンサ特性を検査し、そのオフセット電圧に応じてセンシングエレメント２０上に形成された抵抗を選択し、選択した抵抗に対応するパッド２７と外部回路（即ちフレキシブル基板１０）とをボンディングワイヤなどにより接続する方法があった。例えば、接続方向にのみ導電性を有する異方性導電樹脂を用いてセンサチップ１のパッド２７とフレキシブル基板１０の配線パターン１３とを接続する場合、全てのパッド２７と配線パターン１３とが導通されるため、特定のパッド２７を選択して配線パターン１３に導通させることができず、タップ補正を容易に行うことができなかった。そこで、この半導体加速度センサでは、図２（ｃ）に示すように、センサ特性より選択された抵抗に対応するパッド２７にのみバンプ２８を形成し、このバンプ２８を用いてパッド２７とフレキシブル基板１０の配線パターン１３とを接続しているので、選択したパッド２７のみをフレキシブル基板１０の配線パターン１３に導通させることができ、タップ補正を容易に行うことができる。
【００２１】
なお、図３に示すように、信号処理用ＩＣ２をフレキシブル基板１０に実装し、フレキシブル基板１０を介して信号処理用ＩＣ２を本体回路基板４に電気的且つ機械的に接続しても良く、信号処理用ＩＣ２の実装スペースを本体回路基板４に設ける必要がないので、その分他の部品を実装することができ、本体回路基板４の省面積化を図ることができる。なお、信号処理用ＩＣ２はバンプ或いはワイヤボンィングなどの方法でフレキシブル基板１０に接続される。
【００２２】
（実施形態１）
本実施形態の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板１０の斜視図を図４（ａ）に示し、フレキシブル基板１０とセンサチップ１との接続状態を図４（ｂ）に示す。尚、フレキシブル基板１０以外の構成は基本構成で説明した半導体加速度センサと同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００２３】
本実施形態では、フレキシブル基板１０の幅方向における開口１１の両端部に、センサチップ１の側面と面接触する支持片１５を設けている。したがって、センサチップ１を本体回路基板４に取り付ける際は、フレキシブル基板１０の開口１１にセンサチップ１の上部キャップ２５を挿入し、センサチップ１（上部キャップ２５）の側面と支持片１５とを面接触させて、接着或いは成形によりセンサチップ１を支持片１５に固定しているので、支持片１５によりセンサチップ１を精度良く位置決めすることができる。而して、本体回路基板４に対するセンサチップ１の固定角度の精度が向上し、センサチップ１の他軸感度が向上する。尚、支持片１５をフレキシブル基板１０と別部材としても良いことは言うまでもない。
【００２４】
（参考例１）
本参考例では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、本体回路基板４に接続されるフレキシブル基板１０の両端部を本体回路基板４に固定するための固定手段たる押さえ板１６，１６を設けている。押さえ板１６の下面には突起１６ａが突設されており、この突起１６ａに対応する本体回路基板４の部位には貫通孔４ａが設けられている。而して、フレキシブル基板１０を本体回路基板４に電気的且つ機械的に接続した状態で、本体回路基板４に接続されるフレキシブル基板１０の部位の上方に押さえ板１６を載せ、本体回路基板４の貫通孔４ａに押さえ板１６の突起１６ａを挿入して、突起１６ａを熱圧着や接着などにより貫通孔４ａに固着することにより、押さえ板１６が本体回路基板４に固定され、押さえ板１６と本体回路基板４との間にフレキシブル基板１０の両端部が挟持される。このように、フレキシブル基板１０の両端部は押さえ板１６によって本体回路基板４に固定されるので、フレキシブル基板１０と本体回路基板４との接触信頼性が向上する。
【００２５】
（参考例２）
上述の基本構成および実施形態１並びに参考例１ではセンサチップ１を直接本体回路基板４に固定しているが、本参考例では、図６に示すように、本体回路基板４に実装されたソケット３０にフレキシブル基板１０を用いてセンサチップ１を固定している。
ソケット３０は、本体回路基板４に実装された略矩形状のベース３１と、ベース３１の上面に固着される枠体３２とから構成され、フレキシブル基板１０の開口１１に上部キャップ２５を挿入した状態のセンサチップ１をベース３１上に載置し、ベース３１に枠体３２を被着することにより、ベース３１に設けられたリード（図示せず）にフレキシブル基板１０の導電パターンを接触させるとともに、フレキシブル基板１０をソケット３０に固定する。
【００２６】
本参考例では、ソケット３０を用いてフレキシブル基板１０を本体回路基板４に接続しているので、フレキシブル基板１０と本体回路基板４とを半田付けする際の加熱工程がなくなるため、温度変化によってセンサチップ１に加わる応力が低減され、センサチップ１の温度特性が向上する。しかも、半田付けなどの接続箇所がないため、本体回路基板４とフレキシブル基板１０との導通の信頼性が向上する。
【００２７】
ところで、上述のソケット３１において、図７に示すように、ベース３１の両側にそれぞれ一対の係止爪片３３を突設するとともに、ベース３１の係止爪片３３に対応する枠体３２の部位に係止爪片３３が入り込む凹所３４を設け、凹所３４に係止爪片３３が係止離脱自在に係止する係止突起（図示せず）を形成することにより、枠体３２がベース３１に着脱自在に固定されるようにしても良く、枠体３２の取り付け、取り外しが容易に行えるので、センサチップ１を容易に交換することができる。
【００２８】
また、図８に示すように、本体回路基板４に実装されるベース３１と、ベース３１に被着される一面開口した略箱状のカバー３５とでソケット３０を構成し、ベース３１の両側から一対の係止爪片３３を突設するとともに、係止爪片３３に対応するカバー３５の部位に凹所３４を形成し、凹所３４内に係止爪片３３が係止離脱自在に係止する係止突起３６を設け、カバー３５がベース３１に着脱自在に固定されるようにしても良い。尚、カバー３５のベース３１と対向する面にはセンサチップ１を収納する凹所３５ａが設けられている。
【００２９】
ここで、フレキシブル基板１０の開口１１に上部キャップ２５を挿入した状態のセンサチップ１をベース３１上に載置し、ベース３１にカバー３５を被せ、係止爪片３３を係止突起３６に係止させて、カバー３５をベース３１に固定する。この時、カバー３５の脚部３５ｂ，３５ｂでフレキシブル基板１０の両端部をベース３１に接触させ、フレキシブル基板１０と本体回路基板４とをベース３１を介して導通させる。なお、カバー３５とセンサチップ１との間には緩衝材３７が介装されているので、センサチップ１をソケット３０に装着する際にセンサチップ１に加わる衝撃を緩衝材３７で抑制することができる。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように、請求項１の発明は、ピエゾ抵抗が形成された半導体基板および半導体基板の表面に固定されて半導体基板を封止するキャップを有するセンサチップと、センサチップの出力信号を信号処理する回路が形成された本体回路基板と、センサチップが取り付けられるとともに本体回路基板に固定されるフレキシブル基板とを備え、フレキシブル基板に、本体回路基板とセンサチップの間を電気的に接続する導体パターンと、キャップが入り込む開口と、開口の端部に設けられて開口内に挿入されたキャップと当接する支持片とを設けたことを特徴とし、センサチップの固定にボンディングペーストを用いていないので、線熱膨張係数や弾性係数の差によってセンサチップに発生する熱応力が低減され、熱応力によるセンサ特性の悪化を防止できるという効果がある。
【００３１】
しかも、フレキシブル基板にキャップが入り込む開口を設けているので、上部キャップを開口に挿入することにより、フレキシブル基板を上部キャップの形状に合わせて曲げる必要がなく、ＴＡＢ技術を応用した自動化が容易に行え、生産性が向上するという効果がある。
【００３２】
さらに、上記開口の端部を、センサチップの位置決めを行えるような形状に形成しているので、開口の端部でセンサチップを位置決めすることができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度を精度良く管理することができ、センサチップの他軸感度が向上するという効果がある。
請求項２の発明は、上記センサチップの出力端子にバンプを形成し、前記バンプを介してセンサチップとフレキシブル基板とを接続しているので、センサチップの出力端子の内、選択された出力端子にのみバンプを形成すれば、選択された出力端子のみをフレキシブル基板に接続することができ、タップ補正を容易に行えるという効果がある。
【００３３】
請求項３の発明は、上記本体回路基板又は本体回路基板を収納する筐体のいずれか一方に、フレキシブル基板の位置決め用の突起を設けているので、この突起を用いてフレキシブル基板を位置決めすることにより、フレキシブル基板の取付位置を精度良く管理することができ、センサチップの本体回路基板に対する固定角度の精度が向上し、他軸感度が向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）〜（ｃ）は基本構成の半導体加速度センサに用いるセンサチップの固定方法を示す説明図である。
【図２】同上に用いるセンサチップを示し、（ａ）はセンサチップの内部構造を示す説明図、（ｂ）は外観斜視図、（ｃ）は要部拡大図である。
【図３】同上に用いるセンサチップの別の固定方法を示す斜視図である。
【図４】  実施形態１の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）はセンサチップを固定する状態を示す断面図である。
【図５】参考例１の半導体加速度センサに用いるフレキシブル基板を示し、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は要部断面図である。
【図６】参考例２の半導体加速度センサに用いるソケットを示す外観斜視図である。
【図７】同上に用いる別のソケットを示す外観斜視図である。
【図８】同上に用いるまた別のソケットを示す断面図である。
【図９】従来の半導体加速度センサを示し、（ａ）は分解斜視図、（ｂ）は外観斜視図である。
【図１０】同上のセンサチップの実装状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  センサチップ
４  本体回路基板
１０  フレキシブル基板
１１  開口
１３  配線パターン
２０  センシングエレメント
２５  上部キャップ
２６  下部キャップ
２７  パッド
【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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