(57)【要約】【課題】半導体センサや制御ＩＣ等の部材をコンパクトに収め、製造が容易であり、安価な部材を用いて容易に製造可能な半導体センサモジュールを提供する。【解決手段】引出用電極２９を備えた半導体センサ素子２５と、半導体センサ素子２５を収納するための貫通空間３８が形成された下層基板３４と、センサ素子２５を収納する貫通空間及び引出用電極２９が重ねられ接続される電極パッド３２が形成された中層基板２４を備える。半導体センサ素子２５の出力信号処理用の電子部品である制御ＩＣや、電止素子１４が実装された上層基板１２と、半導体センサモジュール１０を有する。各層の基板に所定の回路パターン１８とスルーホール２４、及び電極パッド２２，３２が形成され、それぞれ隣接する各基板１２，２４，３４に対向する位置に設けられた接続用の電極パッ同士が導電性の接合部材を介して電気的に接続される。【選択図】図１
2009049281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
引出用電極を備えた半導体センサ素子と、前記半導体センサ素子を収納するための貫通空間が形成された下層基板と、前記センサ素子を収納する貫通空間及び前記引出用電極が重ねられて接続される電極パッドが形成された中層基板と、前記半導体センサ素子の出力信号処理用の電子部品が実装された上層基板とを備えた半導体センサモジュールにおいて、
前記各層の基板に所定の回路パターンとスルーホール、及び電極パッドが形成され、それぞれ隣接する前記各基板に対向する位置に設けられた接続用の電極パッド同士が導電性の接合部材を介して電気的に接続され、前記中層基板の貫通空間には前記半導体センサ素子の切除部に嵌合する凸部を備え、前記凸部に前記電極パッドが設けられ、前記半導体センサ素子の引出用電極と接続され、前記下層基板及び中層基板を積層した厚みの中に前記半導体センサ素子の外形全体が収納され、最下層に配置された前記下層基板には、実装基板に接続される面実装型の外部電極が形成されていることを特徴とする半導体センサモジュール。
【請求項２】
前記上層基板、中層基板、及び下層基板はセラミック基板であり、前記半導体センサ素子の半導体本体部に設けられた前記引出用電極に前記中層基板の電極パッドが接続されて成ることを特徴とする請求項１記載の半導体センサモジュール。
【請求項３】
前記中層基板はセラミック基板であり、前記上層基板、及び下層基板は樹脂系基板から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体センサモジュール。
【請求項４】
前記半導体センサ素子は、中空部を有しその中心に錘が設けられた半導体本体部と、前記半導体本体部が接合されかつ引出用電極を露出して形成された絶縁基板と、前記本体部が有する中空部の開口部を密閉する覆い蓋とを有する加速度センサ素子であって、前記引出用電極と前記中層基板の電極パッドが当接して電気的に接続されたことを特徴とする請求項１記載の半導体センサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体センサ素子とその周辺部品をモジュール化して回路基板に収納した面実装型の半導体センサモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体センサ素子を基板に搭載してモジュール化したセンサモジュールとして、加速度センサ装置や圧力センサ装置などが知られている。さらに、センサ装置の小型化等のため、ボンディングワイヤを用いずに電気的配線を行い、かつ、特別なケース部材を必要としないセンサ装置の構造も提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１、２に開示されているように、半導体センサ素子やその他電子部品等の電子素子が実装された回路基板及びＩＣチップ等を厚み方向に積み重ね、隣接対向する接続用電極同士を導電性の接合部材を介して接合した積層化構造を有するセンサモジュールがある。
【特許文献１】特開２００７−３５８４５号公報
【特許文献２】特開２００６−２７５６６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された半導体センサモジュールにあっては、一枚の回路基板に半導体センサ素子を収納し、その上に半導体素子を載置し、回路基板の下には、実装基板に実装するための外部電極を具備した薄い基板を設けて成るものである。しかし、半導体材料の部材や素子を直接回路基板に載せて一体化したものであり、このセンサモジュール単体でも取り扱いの繊細な材料が露出し、使用環境や取り扱い環境により、さらに外装用のケースや樹脂等による密封構造を必要とするものであり、結果としてコストがかかり、実装時の占有面積も大きくなるものである。
【０００５】
また、特許文献２に開示された半導体センサモジュールにあっては、半導体のセンサチップを中間層に置いて半導体の回路基板やＩＣチップを積み重ねた構造であるが、センサチップは回路基板に収納されておらず、半導体がむき出しでそのまま単体の素子としての取り扱いが難しく、上記と同様に、使用環境や取り扱い環境により、さらに外装用のケースや樹脂等による密封構造を必要とするものであり、結果としてコストがかかり、実装時の占有面積も大きくなるものである。
【０００６】
この発明は上記背景技術の問題点に鑑みて成されたもので、半導体センサや制御ＩＣ等の部材をコンパクトに収め、製造が容易であり、安価な部材を用いて容易に製造可能な半導体センサモジュール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】
【０００７】
この発明は、引出用電極を備えた半導体センサ素子と、前記半導体センサ素子を収納するための貫通空間が形成された下層基板と、前記センサ素子を収納する貫通空間及び前記引出用電極が重ねられて接続される電極パッドが形成された中層基板と、前記半導体センサ素子の出力信号処理用のＩＣ等の電子部品が実装された上層基板とを備えた半導体センサモジュールであって、前記各層の基板に所定の回路パターンとスルーホール、及び電極パッドが形成され、それぞれ隣接する前記各基板に対向する位置に設けられた接続用の電極パッド同士が導電性の接合部材を介して電気的に接続され、前記中層基板の貫通空間には前記半導体センサ素子の切除部に嵌合する凸部を備え、前記凸部に前記電極パッドが設けられ、前記半導体センサ素子の引出用電極と接続され、前記下層基板及び中層基板を積層した厚みの中に前記半導体センサ素子の外形全体が収納され、最下層に配置された前記下層基板には、実装基板に接続される面実装型の外部電極が形成されている半導体センサモジュールである。
【０００８】
前記上層基板、中層基板、及び下層基板はセラミック基板であり、前記半導体センサ素子の半導体本体部に設けられた前記引出用電極に前記中層基板の電極パッドが接続されて成る。前記中層基板はセラミック基板であり、前記上層基板、及び下層基板は樹脂系基板から成るものでも良い。
【０００９】
前記半導体センサ素子は、中空部を有しその中心に錘が設けられた半導体本体部と、前記半導体本体部が接合されかつ引出用電極を露出して形成された絶縁基板と、前記本体部が有する中空部の開口部を密閉する覆い蓋とを有する加速度センサ素子であって、前記引出用電極と前記中層基板の電極パッドが当接して電気的に接続されたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の半導体センサモジュールによれば、面実装型外部電極を設けるために回路基板自体に複雑な加工を施す必要がなく、使用する基板は一般的なガラスエポキシ基板やセラミック基板等を用いることができ、比較的安価で入手性のよい材料により構成することができる。また、パターン配線の自由度が高いことにより、半導体センサモジュール内の多くの信号線を外部に引出すことができるので、高機能センサモジュールとして使用者に多くのアプリケーションを提供することも可能になる。さらに、この半導体センサモジュールの構造により、既に外装ケースにパッケージングされた素子として取り扱うことができ、取り扱い性が良く、実装作業も容易であり、追加的な外装構造が不要であることから実装面積の削減にも寄与するものである。
【００１１】
また、各層の基板をセラミックスにすることにより機械的強度と耐熱性能が向上し、内部の半導体センサ素子を確実に保護する。
【００１２】
中層基板に電子素子を収容する透孔を形成することにより、各層の基板に搭載する電子素子が増加しても外形が大きく成らず、より高機能で小型の半導体センサモジュールを形成することができる。
【００１３】
さらに、中層基板をセラミックスとし、上層基板と下層基板を樹脂系の基板とすることにより、樹脂系の基板は分割により効率的に形成することができ、コストを抑えることができ、中層基板をセラミックスとして、内蔵する半導体センサ素子の耐熱性を高めることができる。また、全てセラミックスにする場合より、非常に低コストで作製することが出来る。さらに、中層基板はセラミックのままなので、内蔵されるセンサ及び電子部品に対する熱保護もある程度期待できる。また、セラミック基板を樹脂系の基板で挟み込み接合するため、樹脂系の基板の変形も抑える事が出来、物理的衝撃に対する耐久性も高くする事が出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の半導体センサモジュールの一実施形態について、図面を基に説明する。この実施形態の半導体センサモジュール１０は、図１、図２に示すように、上層基板１２、中層基板２４、及び下層基板３４から成る。上層基板１２は、回路基板として一般的なガラスエポキシ材やセラミック材であって、図１（ａ）に示すように、基板の上面及び下面には銅箔等による配線パターン１８が設けられている。上下両面の配線パターン１８は、スルーホール２０を介して電気的導通がとられている。上層基板１２の上面には、制御ＩＣ１６及びチップ抵抗器等の電子素子１４が所定の配線パターンにハンダ付け等により接続されている。さらに、上層基板１２の下面には、所定の配線パターン１８から延長され、中層基板２４の配線パターン１８と電気接続される電極パッド２２が形成されている。
【００１５】
中層基板２４も、回路基板として一般的なガラスエポキシ材やセラミックスにより形成され、好ましくはセラミックスにより形成する。中層基板２４の上下両面には図１（ｂ）に示すように、配線パターン１８が設けられ、各配線層はスルーホール２０を介して電気的導通がとられている。さらに、中層基板２４の、下面には後述するように、半導体センサ素子２５の引出用電極２９と接続する電極パッド３２が設けられ、半導体センサ素子２５が所定の配線パターン１８に接続されている。
【００１６】
半導体センサ素子２５は、例えば加速度センサであって、図１（ｃ）、図３、及び図４に示すように、ガラス板等の四角い絶縁基板２６と、絶縁基板２６とほぼ同形状の輪郭の加速度センサの半導体本体部２７と、半導体本体部２７の中空部２７ａを覆う大きさの四角い覆い蓋２８から成る。半導体本体部２７は、シリコンウエハ等から形成され、中空部２７ａを有しその中心に図示しない梁により周囲に支持された加速度検知用の錘２７ｂが設けられている。半導体本体部２７の各辺には、その中央部にほぼ同形状の四角形の切除部２７ｃが形成されている。そして、絶縁基板２６に半導体本体部２７を接合した状態で、絶縁基板２６の周縁部に形成され加速度検知信号を出力する引出電極２９が切除部２７ｃから露出する。また、覆い蓋２８は、ガラス板等の絶縁体により形成され、半導体本体部２７の切除部２７ｃの内側に位置し、且つ中空部２７ａを覆う大きさに形成されている。中空部２７ａは、絶縁基板２６と覆い蓋２８により密封状態に封止される。
【００１７】
中層基板２４には、中央部に半導体センサ素子２５の半導体本体部２７が収容される貫通空間３０が形成されている。中層基板２４の貫通空間３０は、図５に示すように、半導体本体部２７の切除部２７ｃに嵌合する凸部３０ａを有して、半導体本体部２７の輪郭とほぼ等しい形状で半導体本体部２７が嵌合可能に形成されている。そして、凸部３０ａに電極パッド３２が設けられ、半導体本体部２７の引出用電極２９と接続している。さらに、中層基板２４には、所定の位置に上層基板１２や中層基板２４、または下層基板３４に設けられ電子素子３５を収容する透孔３６が形成されている。
【００１８】
下層基板３４は、図１（ｄ）に示すように、ガラスエポキシ材やセラミックスにより形成され、上面及び下表面には配線パターン１８が設けられ、各配線層はスルーホール２０を介して電気的導通がとられている。さらに、下層基板３４の下面には、実装基板４０に接続される面実装型の外部電極４２が設けられている。下層基板３４の中央部には、半導体センサ素子２５の絶縁基板２６を収容可能な四角形の貫通空間３８が形成されている。
【００１９】
以上説明した上層基板１２、中層基板２４、下層基板３４は、図１に示すように順番に積層され、半導体センサモジュール１０が組み立てられる。上層基板１２と中層基板２４が対向する面、及び中層基板２４と下層基板３４が対向する面には、それぞれに対をなす接続用電極パッド２２が配線パターン１８につながって配置されており、導電性接着剤又は半田などの導電性接続部材を介して接続される。
【００２０】
また、中層基板２４に搭載されている半導体センサ素子２５は、絶縁基板２６が下層基板３４側に位置して貫通空間３８内に収容され、半導体センサ素子２５の半導体本体部２７とその覆い蓋２８が中層基板２４の貫通空間３０内に収容され、下層基板３４と中層基板２４を積層した合計厚みの中に半導体センサ素子２５の外形全体が収納されている。
【００２１】
この実施形態の半導体センサモジュール１０の製造方法は、まず、各層の基板を多数個取りする所定の大きさのガラスエポキシ基板やセラミック基板を設け、その表裏面に配線パターン１８や電極パッド２２を銅箔等により形成し、所定の制御ＩＣ１６及びチップ抵抗器等の電子素子１４，３５を実装しハンダ付けする。
【００２２】
次に、各基板を分割溝により分割して個々の上層基板１２、中層基板２４、下層基板３４を設ける。そして、中層基板２４の貫通空間３０に半導体センサ素子２５を嵌合し、引出用電極２９と電極パッド３２を導電性接着剤等により接合する。さらに、中層基板２４の表裏に、上層基板１２と下層基板３４をハンダ若しくは導電性接着剤により接合する。この後、上層基板１２の上面、及び半導体センサ素子２５の絶縁基板２６と下層基板３４の隙間に樹脂を充填し封止して半導体センサモジュール１０が完成する。
【００２３】
この実施形態の半導体センサモジュール１０によれば、従来ワイヤボンディングにより半導体センサ素子２５とその取付基板との接続を行っていたものを、各層の基板の積層工程のみで電気的な接続を完了することができ、製造工程の簡略化とダイボンダ等の製造設備を削減することができ、大幅な製造コストダウンを図ることができる。さらに、この半導体センサモジュール１０は、既存の基板材料を用いて、半導体センサ素子２５を収納し封止することができ、安価な材料により構造が簡単で外形も小型化することができる。しかも、この状態で、半導体センサ素子２５を外装ケースに収納した構造であり、取り扱いが容易であり、設計変更等の自由度も高い。
【００２４】
また、半導体本体部２７の切除部２７ｃに中層基板２４の貫通空間３０の凸部３０ａが嵌合し、凸部３０ａの電極パッド３２と半導体本体部２７の引出用電極２９が接続される構造のため、半導体センサ素子２５と中層基板２７の回路との接続が確実に成される。さらに、取り付けも強固なものとなり半導体センサ素子２５が貫通空間３０内で確実に保護される。また、半導体センサ素子２５と中層基板２７の嵌合構造を非対称な形状にして一義的に位置が設定されるようにすることにより、取り付けミスを無くすることも可能である。
【００２５】
さらに、半導体センサ素子２５と中層基板２４の互いの電極部分を凹構造と凸構造にする事により、パズルの様にはめ込む事が出来、半導体本体部２７のＸ軸Ｙ軸方向の物理的衝撃に対して非常に強固な接合をする事が可能となる。また、Ｚ軸方向についても通常の面実装と同等の対衝撃性を持っており、微小な物理量を計測するセンサを実装する場合において特に有効である。なお、嵌め込む為の公差部分は、絶縁樹脂等により充填される。
【００２６】
また、外部電極の配置変更等の軽微な設計変更が生じた場合には、上層基板、中層基板、下層基板の中で変更に関連する特定の基板のみを変更すればよく、金型変更の費用や製品品質の再評価工数を最小限に抑えることができる。
【００２７】
なお、この発明の半導体センサモジュールは、上記実施形態に限定されるものではなく、半導体センサ素子が各基板を積層した合計厚みの中に外形全体が収納されるものであれば良く、センサ素子の形状は問わない。さらに、下層基板に形成される外部電極は実装基板に表面実装する面実装型であればよく、例えば図６に示すように絶縁基板の端面にメッキや焼き付けによって被着形成された端面電極４２であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の一実施形態の半導体センサモジュールを示す縦断面図である。
【図２】この実施形態の半導体センサモジュールを示す分解断面図（ａ）（ｂ）（ｃ）である。
【図３】この実施形態の半導体センサ素子の構成例を示す分解斜視図である。
【図４】この実施形態の半導体センサの斜視図である
【図５】この実施形態の半導体センサ素子と中層基板を示す分解斜視図である。
【図６】この実施形態の半導体センサモジュールの下層基板の端面電極の他の例を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０  半導体センサモジュール
１２  上層基板
１４  電子素子
１６  制御ＩＣ
１８  配線パターン
２０  スルーホール
２２，３２  電極パッド
２４  中層基板
２５  半導体センサ素子
２６  絶縁基板
２７  半導体本体部
２９  引出用電極
３０，３８  貫通空間
３０ａ  凸部
３４  下層基板
４０  実装基板
【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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