JP2010025822A - 物理量センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 特に、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力を低減でき、さらに、簡単且つ適切に、圧力センサが回路基板上に半田付けされていることを確認できる物理量センサ及びその製造方法、ならびに、物理量センサ実装構造を提供することを目的としている。
【解決手段】 シリコン基板２、３と、シリコン基板２，３に形成された変位部（ダイアフラム）８と、変位部の変位量を検出するための検出素子と、検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板に形成された電極パッド１１と、前記電極パッド１１に接合されたインターポーザ１５と、を有する。インターポーザ１５は、支持基板１７と、電極パッド１１との接合面（第１面）から第２面にかけて形成される導通部１８と、前記導通部１８の第２面側と電気的に接続され、側面に露出して形成された半田フィレット形成部２２と、を有して構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、特に、ＭＥＭＳ技術を用いて形成された物理量センサ及びその製造方法に関する。

ＭＥＭＳ（微小電気機械システム：Micro Electro Mechanical System）技術を用いて形成された圧力センサは、シリコン基板に形成されたダイアフラムと、ダイアフラムの変位量を検出するための検出素子等を有して構成される。

検出素子に電気的に接続される電極パッドはシリコン基板表面（ダイアフラム形成面及びその逆面も含む）に形成されている。そして従来では、圧力センサが、回路基板上に直接、電極パッドの部分にて、半田付けにより実装されていた。

このため、従来構造では、圧力センサを構成するシリコン基板と回路基板との熱膨張差に起因した応力が、ダイアフラム等を備える前記シリコン基板に直接作用することにより、圧力センサの検出精度が低下したり、ばらつきが生じる問題があった。
特開２００４−１７７３４３号公報 特開２００７−１９８８２０号公報

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、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力を低減できる物理量センサ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明における物理量センサは、
シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有し、
前記インターポーザは、ガラスで形成された支持基板と、前記電極パッドと電気的に接続され、前記電極パッドとの接合面である第１面から前記第１面との逆面である第２面にかけてシリコンで形成された導通部と、を有して構成されることを特徴とするものである。

あるいは本発明における物理量センサは、
シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有し、
前記インターポーザは、シリコンで形成された支持基板と、前記電極パッドと電気的に接続され、前記電極パッドとの接合面である第１面から前記第１面との逆面である第２面にかけてシリコンで形成された導通部と、前記支持基板と前記導通部との間に介在する絶縁層と、を有して構成されることを特徴とするものである。

本発明の構成によれば、インターポーザを備え、しかも、インターポーザを構成する導通部をシリコンで形成し、支持基板をシリコンの熱膨張係数に近いガラス、あるいはシリコンで形成することで（導通部と支持基板を共にシリコンで形成した場合は導通部と支持基板間を絶縁層にて絶縁する）、物理量センサを回路基板上に実装したとき、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力を効果的に、低減できる。

本発明では、前記インターポーザの隅部に、前記第１面から前記第２面に至る前記導通部が形成されていることが好ましい。これにより、導通部の平面面積を大きく形成しやすく、導通部の電気抵抗値を効果的に小さく出来る。また、インターポーザを回路基板上に安定して実装しやすい。

また本発明では、前記電極パッドは、前記変位部と同じ形成面側に形成されていることが好ましい。これにより、変位部がインターポーザと対向した位置関係になり、変位部をインターポーザにより適切に保護できる。

本発明では、前記変位部は圧力を受けて変位するダイアフラムであり、前記支持基板には前記ダイアフラムに通じる通気口が形成されていることが好ましい。

前記通気口は、前記支持基板の厚さ方向に形成され、前記支持基板の前記第１面側には、前記通気口に連通し、前記通気口よりも平面面積が大きい凹部が形成されていることが好ましい。あるいは、前記支持基板の第１面には、側面にまで通じる凹形状の前記通気口が形成されている形態でもよい。

また本発明では、前記変位部の形成領域を除く前記シリコン基板と前記支持基板との間の空間領域に、支持部が設けられていることが好ましい。

本発明における物理量センサの製造方法は、
シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有するものであり、
前記インターポーザを、
シリコン基板の上面にエッチングにより前記導通部を形成する工程、
前記導通部の周囲を、ガラス材によって埋め、前記シリコン基板と前記ガラス材から成るインターポーザ基板を形成する工程、
上下面の双方から前記導通部が露出するように、前記インターポーザ基板の上下面を削る工程、
前記インターポーザ基板を個々のインターポーザに分断する工程、を有して形成し、
続いて、前記インターポーザの一方の面に露出した前記導通部と前記電極パッド間を接合する工程、
を有することを特徴とするものである。

本発明の物理量センサの製造方法によれば、簡単且つ適切に、支持基板、及び、導通部を備えるインターポーザを形成できる。そして本発明では、物理量センサを回路基板上に実装したとき、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力を低減できる物理量センサを簡単且つ適切に製造することが出来る。

本発明では、前記導通部の位置でダイシングの方向を直交させて、前記導通部を分断することが好ましい。これにより、導通部をインターポーザの隅部に形成できる。

本発明の構成によれば、インターポーザを備え、しかも、インターポーザを構成する導通部をシリコンで形成し、支持基板をシリコンの熱膨張係数に近いガラス、あるいはシリコンで形成することで（導通部と支持基板を共にシリコンで形成した場合は導通部と支持基板間を絶縁層にて絶縁する）、物理量センサを回路基板上に実装したとき、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力を効果的に、低減できる。

図１は、本実施形態における圧力センサ（物理量センサ）の斜視図、図２は、図１に示す圧力センサをＡ−Ａ線に沿って高さ方向（厚さ方向）から切断した切断面を示す断面図、図３は、本実施形態の圧力センサと回路基板との実装構造を示す断面図、図４ないし図８は、図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、図９は、圧力センサのダイアフラム形成面の平面図、である。

図１，図２に示すピエゾ抵抗型圧力センサ１は、例えば、絶対圧検知用（すなわちキャビティ内が真空である）である。

図１，図２に示すピエゾ抵抗型圧力センサ１は、第１シリコン基板２と、第２シリコン基板３とを有して構成される。例えば第１シリコン基板２及び第２シリコン基板３の間には、酸化絶縁層（ＳｉＯ₂層）が介在し、３層のＳＯＩ基板を構成している。

図２に示すように、第１シリコン基板２の上面には、キャビティ（凹部）７が形成される。図２及び図９に示すように、キャビティ７の上側に位置する第２シリコン基板３によりダイアフラム８が形成されている。図９に示すように、キャビティ７及びダイアフラム８は平面視にてピエゾ抵抗型圧力センサ１の略中央位置に形成され、キャビティ７及びダイアフラム８の平面視形状は略矩形状である。

図９に示すように、ダイアフラム８の周囲は第２シリコン基板３に圧力が作用しても歪みが生じない固定領域９である。

ダイアフラム８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９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。

第１ピエゾ素子Ｂと第３ピエゾ素子Ｄは入力パッド１３を介して、及び、第２ピエゾ素子Ｃと第４ピエゾ素子Ｅはグランドパッド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１０は固定領域９上に延出形成され、各パッド１１〜１４は固定領域９の四隅近傍に設けられている。配線層１０や各電極パッド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。

ダイアフラム８が圧力を受けて歪んだときに、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、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１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。

各電極パッド１１〜１４は例えば図２に示すようなバンプ形状であるが、形状を限定するものではない。

図１，図２に示すように、第２シリコン基板３側に、インターポーザ１５が設けられている。図１，図２に示すようにインターポーザ１５の略中央部には、上面（第２面）から下面（第１面）に向けて貫通する通気口１６が形成されている。この実施形態では、通気口１６の平面形状は円形状であるが、形状を限定するものではない。

インターポーザ１５は、支持基板１７と、支持基板１７に支持された導通部１８とを有して構成される。

図１に示すように支持基板１７は、所定の厚みがあり、平面が略矩形状の（直方体状の）基板の四隅を上面（第２面）１７ｅから下面（第１面）１７ｆに向けて凹形状に切り欠いた形状である。

支持基板１７に形成された凹部２６内にそれぞれ、導通部１８が設けられる。
よって、各導通部１８は、支持基板１７の上面１７ｅから下面１７ｆにかけて形成され、上面１７ｅ及び下面１７ｆで露出している。またこの実施形態では、インターポーザ１５の四隅に形成された各凹部２６内に各導通部１８が設けられるため、各導通部１８の側面の一部も露出している。この実施形態では、各導通部１８は直方体状であり、各導通部１８の露出した側面は、支持基板１７の側面１７ｇと同一面で形成されている。

ここで、導通部１８の形成位置は、後述する変形例にも示すようにインターポーザ１５の隅部に限定されない。例えば、支持基板１７の側面１７ｇの略中央位置に凹形状に切欠いて、その凹部内に導通部１８が形成される形態でもよい。特に、インターポーザ１５が円形等の多角形状でない場合、インターポーザ１５の任意の側面位置に導通部１８を設けるようにすることが好適である。ただしインターポーザ１５が多角形状である場合、導通部１８をインターポーザ１５の隅部に形成することが好適である。

図２に示すように、各導通部１８の上面（第２面）には導通パッド２７が形成されている。

図２に示すように、インターポーザ１５の各導通部１８の下面（第１面）と、各電極パッド１１〜１４間が接合層２８を介して接合されている。これにより導通部１８と電極パッド１１〜１４とが電気的に接続される。

本実施形態では、支持基板１７はガラス（例えばパイレックス（登録商標））で形成される。また導通部１８は、第１シリコン基板２や第２シリコン基板３と同じシリコンで形成される。また、接合層２８は導電性材料であれば特に材質を限定しないが、電極パッド１１〜１４と接合層２３とで共晶を作るなどして、接合強度を高めることが可能な材質を選択することが好適である。また導通パッド２７は半田濡れ性に優れたＮｉ、Ｃｕ等を有する材質で形成されることが好適である。

図１，図２に示すように、各導通部１８の上面（第２面）に形成された導通パッド２７上には半田ボール２０が設けられる。

図１，図２に示す圧力センサ１を回路基板３０上に実装した図が図３である。図３に示すように圧力センサ１を図１，図２の状態から反転させて、インターポーザ１５を回路基板３０上に対向させる。そして、インターポーザ１５に形成された各導通パッド２７と回路基板３０の各半田ランド部３１との間が半田２１にて接合される。

本実施形態における圧力センサ１は、第２シリコン基板３に形成された電極パッド１１〜１４に接合されるインターポーザ１５を備えている。さらに本実施形態では、導通部１８は、シリコンで形成され、支持基板１７はガラスで形成される。ガラスの熱膨張係数はシリコンの熱膨張係数に近い。よって、本実施形態では、シリコン基板２，３と、インターポーザ１５間の熱膨張係数の差は非常に小さい。したがって、図３に示すように圧力センサ１を回路基板３０上に実装したときに本実施形態の構成によれば、熱膨張差に起因したシリコン基板２，３に作用する応力を効果的に、低減することが出来る。

本実施形態では、各導通部１８をインターポーザ１５の四隅に形成している。導通部１８をインターポーザ１５の隅部に形成すれば、各導通部１８をインターポーザ１５の２つの側面に露出する位置まで最大限に大きく形成でき、また少なくとも隅部周辺をシリコン基板側の固定領域９との対向領域にできるため、導通部１８の平面面積を大きく形成しやすい。したがって、導通部１８の電気抵抗値を低減できる。また導通部１８と半田ランド部３１間を半田付けにて接合しやすく、圧力センサ１を回路基板３０上に安定して実装することが出来る。

また図２，図９等に示すように、電極パッド１１〜１４は、変位部であるダイアフラム８と同じ形成面側に形成されている。これにより、図２等に示すように、インターポーザ１５が、ダイアフラム８と対向した位置関係になる。したがって、ダイアフラム８をインターポーザ１５により適切に保護することが出来る。

図４以降に本実施形態の変形例を示す。図４に示す形態では、導通部１８及び、支持基板１７が共にシリコンで形成され、導通部１８と支持基板１７の間が絶縁層３３により絶縁されている。このように、導通部１８及び支持基板１７をシリコンで形成することで、シリコン基板に作用する回路基板との熱膨張差に起因した応力をより効果的に、低減できる。

図５に示す形態では、シリコンで形成された導通部１８が、インターポーザ１５の四隅に形成されず、インターポーザ１５（支持基板１７）の内部位置に形成される。よって導通部１８は、上面と下面だけが支持基板１７から露出している。そして導通部１８の上面（第２面）から支持基板１７の上面にかけて導通パッド２７が形成されている。

図６に示す形態では、インターポーザ１５と第２シリコン基板３間を支持する支持部４０が設けられる。図７以外の形態では、インターポーザ１５と第２シリコン基板３間が電極パッド１１〜１４の部分のみで支持されていたが、図６のように、支持部４０を設けることで、インターポーザ１５と第２シリコン基板３間をより確実に支持できる。支持部４０は、電極パッド１１〜１４と対向しない固定領域９（図９参照）との空間領域に形成される。支持部４０はシリコンあるいはガラスで形成されることが好適である。例えば、支持部４０は、電極パッド１１〜１４と同じ形成工程で形成し（係る場合、支持部４０は電極パッドと同じ金属材料である）、インターポーザ１５側には、接合層２８と同じ形成工程で、支持部４０と対向する位置に接合層を形成しておく。そして、支持部４０と接合層間、及び電極パッド１１〜１４と接合層２８間を接合する。

図７に示す形態では、インターポーザ１５の厚さ（高さ）方向に形成された通気口１６の孔径が他の形態に比べて小さく形成されている。そして図７では、支持基板１７の第２シリコン基板３と対向する面側に通気口１６と連通した凹部４１が形成されている。図７に示す形態では、通気口１６の孔径が小さくされているので異物が通気口１６を通って、ダイアフラム８とインターポーザ１５間に溜まるのを抑制できる。またダイアフラム８に対する外的接触等を抑制できる。また仮に異物が通気口１６を通ってダイアフラム８とインターポーザ１５間に入り込んでも、径が大きい凹部４１が設けられているので、検出感度の低下を抑制できる。

図８に示す形態では、インターポーザ１５の第２シリコン基板３との対向面（第２面）に、側面にまで通じる凹形状の通気口４２が形成されている。よって、インターポーザ１５の厚さ（高さ）方向に通気口を設ける形態に比べて異物進入を抑制できる。通気口４２は２以上の側面間を繋ぐように形成されていてもよいし、あるいは通気口４２はインターポーザ１５のシリコン基板との対向面（第２面）の途中位置で途切れるように形成されていてもよい。

図４ないし図８では、図１，図２に示すように導通パッド２７上に半田ボール２０が載置された形態であってもよい。

次に、本実施形態の圧力センサ１のうち、特にインターポーザ１５の製造方法について説明する。以下では、一つの基板から複数個のインターポーザを形成する製造方法を説明する。

図１０に示す工程では、シリコン基板５０上にレジスト等のマスク層５１を形成する。これらマスク層５１は、シリコン基板５０の導通部１８となる位置に設けられる。そして、ＳｉディープＲＩＥ等で、マスク層５１に覆われていないシリコン基板５０を所定深さまで削り込む（図１０の点線に沿ってシリコン基板５０が削られる）。これによりシリコン基板５０には複数の突状部５３が形成される。

図１１に示す工程では、突状部５３上のマスク層５１を除去する。続いて、加熱して軟質状態のガラス材５２を、突状部５３と対向させ、ガラス材５２をプレスして突状部５３間をガラス材５２により埋める（図１２参照）。なお軟質状態はゴム状態であっても、液体状態であってもどちらでもよい。液体状態では、ガラス材５２を突状部５３間に流し込んで、突状部５３間をガラス材５２により埋めることが出来る。以下、突状部５３を「導通部」、ガラス材５２を「支持基板」と称する。

続いて図１２に示す工程では、導通部５３間を連設しているシリコン基板５０の部分と、導通部５３上に位置する支持基板５２をラッピングして除去する（図１３に示す点線部分までラッピングする）。これにより、シリコンで形成された導通部５３の上面（第２面）と下面（第１面）とが露出し、且つ導通部５３の周囲に支持基板５２が形成されたインターポーザ基板５４が完成する。

続いて図１３に示す工程では、導通部５３の上面に導通パッド５７を形成する。また導通部５３の下面（第１面）側に接合層５８を形成する。さらに支持基板５２に通気口５９を形成する。

続いて図１４に示すように、インターポーザ基板５４に形成された接合層５８と、シリコン基板６０の表面に形成された電極パッド１１〜１４とを対向させて、インターポーザ基板５４とシリコン基板６０間を接合する。なおこの時点で既にシリコン基板６０にはダイアフラム８、キャビティ７及び図９に示す配線層１０等が形成されている。

図１４に示す点線は、インターポーザ基板５４及びシリコン基板６０に対するダイシングの位置を示している。図１４に示すように、導通部５３の上面（第２面）に形成された導通パッド５７の略中央位置でダイシング方向を直交させて、導通部５３を分断する。これにより、図１に示す圧力センサを複数個、同じ基板から得ることが出来る。

図１４に示すように、導通部５３を直交に分断することで、各インターポーザの隅部に導通部を形成できる。ただし、これは好ましい一例であって、導通部の形成位置に応じてダイシングの位置を変更することが可能である。

また支持基板と導通部より構成されるインターポーザ基板の製造方法は上記以外であってもよい。例えば支持基板に貫通する複数の孔を予め形成し、この孔内に導通部を形成する。ただし、ガラスから形成される支持基板と、シリコンから形成される導通部のインターポーザ基板は上記した製造方法で形成することが好適である。

本実施形態では、圧力センサを用いて説明したが、圧力センサに限定されるものではない。本実施形態は、加速度センサや角速度センサ等の「物理量センサ」に適用できる。

本実施形態における圧力センサ（物理量センサ）の斜視図、 図１に示す圧力センサをＡ−Ａ線に沿って高さ方向（厚さ方向）から切断した切断面を示す断面図、 本実施形態の圧力センサと回路基板との実装構造を示す断面図、 図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、 図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、 図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、 図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、 図２とは異なる本実施形態の圧力センサの断面図、 圧力センサのダイアフラム形成面の平面図、 本実施形態のインターポーザの製造方法を示す一工程図（断面図）、 図１０の次に行われる一工程図（断面図）、 図１１の次に行われる一工程図（断面図）、 図１２の次に行われる一工程図（断面図）、 インターポーザ基板とシリコン基板を貼り合わせた状態の斜視図、

符号の説明

１ ピエゾ抵抗型圧力センサ
２ 第１シリコン基板
３ 第２シリコン基板
７ キャビティ
８ ダイアフラム
１１〜１４ 電極パッド
１５ インターポーザ
１６、４２、５９ 通気口
１７ 支持基板
１８ 導通部
２０ 半田ボール
２１ 半田
２７、５７ 導通パッド
３０ 回路基板
３１ 半田ランド部
４０ 支持部
５０ シリコン基板
５１、５５ マスク層
５２ ガラス材（支持基板）
５３ 突状部（導通部）
５４ インターポーザ基板
Ｂ〜Ｅ ピエゾ素子

Claims (10)

1. シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有し、
   前記インターポーザは、ガラスで形成された支持基板と、前記電極パッドと電気的に接続され、前記電極パッドとの接合面である第１面から前記第１面との逆面である第２面にかけてシリコンで形成された導通部と、を有して構成されることを特徴とする物理量センサ。
2. シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有し、
   前記インターポーザは、シリコンで形成された支持基板と、前記電極パッドと電気的に接続され、前記電極パッドとの接合面である第１面から前記第１面との逆面である第２面にかけてシリコンで形成された導通部と、前記支持基板と前記導通部との間に介在する絶縁層と、を有して構成されることを特徴とする物理量センサ。
3. 前記インターポーザの隅部に、前記第１面から前記第２面に至る前記導通部が形成されている請求項１又は２に記載の物理量センサ。
4. 前記電極パッドは、前記変位部と同じ形成面側に形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の物理量センサ。
5. 前記変位部は圧力を受けて変位するダイアフラムであり、前記支持基板には前記ダイアフラムに通じる通気口が形成されている請求項４記載の物理量センサ。
6. 前記通気口は、前記支持基板の厚さ方向に形成され、前記支持基板の前記第１面側には、前記通気口に連通し、前記通気口よりも平面面積が大きい凹部が形成されている請求項５記載の物理量センサ。
7. 前記支持基板の第１面には、側面にまで通じる凹形状の前記通気口が形成されている請求項５記載の物理量センサ。
8. 前記変位部の形成領域を除く前記シリコン基板と前記支持基板との間の空間領域に、支持部が設けられている請求項１ないし７のいずれかに記載の物理量センサ。
9. シリコン基板と、前記シリコン基板に形成され、物理量の変化に応じて変位する変位部と、前記変位部の変位量を検出するための検出素子と、前記検出素子に電気的に接続され、前記シリコン基板の一方の面に形成された電極パッドと、前記電極パッドに接合されたインターポーザと、を有するものであり、
   前記インターポーザを、
   シリコン基板の上面にエッチングにより前記導通部を形成する工程、
   前記導通部の周囲を、ガラス材によって埋め、前記シリコン基板と前記ガラス材から成るインターポーザ基板を形成する工程、
   上下面の双方から前記導通部が露出するように、前記インターポーザ基板の上下面を削る工程、
   前記インターポーザ基板を個々のインターポーザに分断する工程、を有して形成し、
   続いて、前記インターポーザの一方の面に露出した前記導通部と前記電極パッド間を接合する工程、
   を有することを特徴とする物理量センサの製造方法。
10. 前記導通部の位置でダイシングの方向を直交させて、前記導通部を分断する請求項９に記載の物理量センサの製造方法。

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