JP3567740B2 - 半導体センサ及び実装構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体の圧力や加速度や振動などの物理量に感応する半導体センサに関し、特に、半導体マイクロマシーン技術により製作する超小型の半導体センサ及び実装構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
良く知られているように、次のような構造でごく小型の半導体センサがある。これは半導体デバイス製造技術やマイクロマシーン技術を応用してシリコンなどの半導体基板を成形加工し、肉厚の支持枠部の枠内に肉薄のダイヤフラムを一体形成した小さなチップを造る。このチップを感圧チップと呼び、これとガラスなどの絶縁基板とを組み合わせて接合する。この時、感圧チップのダイヤフラムと絶縁基板の表面とがごく小さな間隔をおいて対向するようにしておく。そして、ダイヤフラムには可動電極を、絶縁基板には固定電極をそれぞれ薄膜形成しておくことにより、小さな間隔をおいて対向する可動電極と固定電極によって可変容量素子が形成される。従って、例えばダイヤフラムに圧力が作用して前記間隔が変化すると、両電極間の容量が変化する。これがセンサ出力である。
【０００３】
この種の半導体センサ（圧力センサ）の基本構造体の外観を図１に示している。図１のように、半導体基板からなる感圧チップ１と絶縁基板２を積層した構造となっており、絶縁基板２の外形寸法は感圧チップ１の外形寸法より明確に小さい。そして、感圧チップ１と絶縁基板２の接合面における感圧チップ１の余りの部分（階段状部分）に、前記可変容量素子を含むセンサ回路の端子パッド部３が配設されている。この端子パッド部３を介して外部周辺回路と電気的に接続される。
【０００４】
なお、センサには導圧穴が開口しており、図１に示したセンサ側部の穴４は導圧穴の一例である。その導圧穴を通じて内部のダイヤフラムに圧力が作用する。絶縁基板２の側にも厚さ方向に延びる導圧穴をあけて、そこを通じてダイヤフラムの反対側の面にも外部から圧力を作用させるタイプもある。
以上のような構造のセンサ本体のままでは実装面でさまざまな不便があるので、これを適当なパッケージに収納した形態で実装するのが普通である。
【０００５】
従来の半導体センサのパッケージング構造は、樹脂製または金属製のパッケージを別途に製作し（リードフレームが付いている）、その中に前記のセンサ本体を収納して接着剤などで固定する。また、センサ本体のボンディング部とパッケージのリードフレームとをパッケージ内部でワイヤボンディングしている。もちろん、パッケージには検出対象圧力を外部からセンサ本体内に導入するための通路がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来のパッケージング構造では、樹脂製または金属製のパッケージを別途に製作するために相当にコスト高になり、パッケージにセンサ本体を収納する組立作業のためにもコスト高になる。また、別途に製作したパッケージ内にセンサ本体を収納する構造では、両者の間に相当程度の寸法余裕を持たせる必要があり、そのためにパッケージング後のセンサの外形寸法が大きくなり、小型化が難しいという問題があった。さらに、パッケージ内部でセンサ本体とリードフレームとを接続しているボンディングワイヤや、センサ本体自体が中空のパッケージ内部に開放された状態になるため、耐環境性が悪くなる等の各種の問題があった。
【０００７】
本発明は、上記した背景に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、上記した問題を解決し、小型で実装性がよく、また耐環境性もよく、加えて製造コストが安い半導体センサ及び実装構造を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る半導体センサでは、物理量に応じて変位する可動部位を備えた半導体基板と、絶縁基板とが接合され、前記半導体基板と前記絶縁基板は、両者の接合面における外形寸法を異ならせ、少なくとも一方の接合面を露出させるとともに、その露出部分にセンサ回路の端子パッド部を設けたセンサ本体と、そのセンサ本体が取り付けられる外部接続基板とを備えた。そして、前記半導体基板と前記絶縁基板のうち外形寸法の小さい方と、前記外部接続基板とが接合される。この時、その外部接続基板の外形寸法を前記センサ本体との接合面より大きくして、前記端子パッド部と前記外部接続基板の接合面側表面とを対向させ、前記外部接続基板の接合側表面露出部と前記端子パッド部の対向する部分に中継コンタクト手段が設けられ、この中継コンタクト手段を介して前記端子パッド部を外部回路に電気的に接続可能に構成した（請求項１）。そして、好ましくは前記中継コンタクト手段の部分が樹脂モールドされていることである（請求項２）。
【０００９】
前記外部接続基板の前記センサ本体との接合面に窪み部を形成し、前記センサ本体を構成する基板のうち前記外部接続基板に接合する基板の下部を前記窪み部に挿入した状態で前記外部接続基板と前記センサ本体とを接合するようにしてもよい（請求項１）。さらにまた、前記外部接続基板はフレキシブル印刷配線板を用いて構成してもよい（請求項４）。
【００１０】
センサ本体は、実施の形態では圧力センサに適用した例を示したが、これに限ることはなく、加速度センサ（振動センサ）等でももちろんよい。また、前記中継コンタクト手段としては、各種のものが用いられるが、例えば外部接続基板に起立形成された金属ピンを用いることができる。またそれ以外にも、ハンダ，ハンダボール，各種のバンプ，導電性接着剤（特に異方性導電性接着剤がよい），導電性の台座を用いることもできる。この導電性の台座としては例えば導電性ゴムを用いることができる。
【００１１】
本発明によれば、外部接続基板に対してセンサ本体を取り付けるに際し、従来と逆に外形寸法の小さい基板を外部接続基板側にくるように配置して接合したため、外部接続基板と端子パッド部が対向し、しかもその間隔は外部接続基板と接合された基板の肉厚以下となるので非常に短い。従って、上記に例示列挙したような中継コンタクト手段により簡単に端子パッド部と実装基板（実装基板に設けられた配線経路）とを電気的に接続することができる。しかも、従来のワイヤボンディングと異なり、非常に接近した短い距離でありしかも対向していることから、センサ本体の外形寸法とほとんど同じ平面積で構成できる。また、積層方向の厚さも外部接続基板の厚さ程度ですむ。つまり、半導体センサが占める容積を可及的に小さくできる。
【００１２】
そして、係る半導体センサを実装基板に取り付ける際には、他のＩＣその他の電子部品と同様に外部接続基板の非接合面にバンプ等を設けることにより、リフロー処理により面実装することができるので、一括処理ができ簡単となる。つまり、従来、半導体基板と絶縁基板の外形寸法の差に基づく段差があり個別実装しかできなかった半導体センサが、面実装可能となるので、処理効率がはるかに向上する。
【００１３】
特に、請求項２のように構成した場合には、断線などするおそれが可及的に抑制される。また、請求項３，４のように構成した場合には、積層方向の肉厚を低く抑えることができる。なお、請求項４において窪みとしているのは、接合面の表面から一段低くなっていればよいことを意味し、その底面の有無は問わない。つまり、底面がなく、例えば平面形状がロ字状の枠体であっても本発明の実装基板になり得る。そして、この場合に端子パッド部と実装基板の間隔が狭くなった時には、中継コンタクト手段は、ハンダ等であってもよい。また、導電性ゴムや導電性接着剤（樹脂）なども用いることができる。特に異方性導電材を用いると、加圧することにより加圧方向（基板の積層方向）にのみ導電性を有するようになるので、複数の端子パッド部を相互に絶縁を図りつつ外部接続基板のバンプに導通を図ることができる。そして、異方性導電材は加熱することに硬化するので、接着剤としても機能する。
【００１４】
一方、本発明に係る半導体センサの実装構造では、物理量に応じて変位する可動部位を備えた半導体基板と、絶縁基板とが接合され、前記半導体基板と前記絶縁基板は、両者の接合面における外形寸法を異ならせ、少なくとも一方の接合面を露出させるとともに、その露出部分にセンサ回路の端子パッド部を設けたセンサ本体を有した半導体センサの実装基板への実装構造であって、前記半導体基板と前記絶縁基板のうち外形寸法の小さい方を、前記装基板側に位置させるとともに、前記端子パッド部を前記実装基板に設けた配線パターンと対向させ、前記実装基板に形成された配線パターンと、前記端子パッド部を直接或いは連結部材を介して接続するようにした（請求項５）。そして、前記実装基板の取付面に穴部を設け、前記センサ本体の外形寸法の小さい方の基板をその穴部内に挿入するように構成すると好ましい（請求項６）。
【００１５】
センサ本体のうち、外形寸法の小さい基板を実装基板側に位置させるので、外形寸法の大きい基板の接合面側露出面に設けた端子パッド部が実装基板側を向く。従って、実装基板に設けた配線パターンと端子バッドが対向するので、直接または連結部材を介して両者を接続することができる。これにより、やはりワインボンディングなどが不要となり、占有面積が小さくてすむ。特に、請求項６のように構成すれば、小さい基板が穴部内に入り込むため、実装時の薄型化が図れるばかりでなく、端子パッド部と配線パターンを直接接続することが可能となる。なお、ここで言う穴部とは、底部を有するいわゆる穴のみならず、底部がなく貫通した孔も含む概念である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明に係る半導体センサの第１の実施の形態の構造を示している。まず、本形態で用いるセンサ本体は、圧力センサであり、半導体基板１に肉薄のダイヤフラムを形成し、そのダイヤフラムと絶縁基板２の表面とをごく小さな間隔をおいて対向させる。これにより、ダイヤフラムに設けた可動電極と、絶縁基板に成膜した固定電極の間には距離に応じた静電容量が発生するので、例えばダイヤフラムに圧力が作用して前記間隔が変化すると、両電極間の容量が変化する。よって、両基板１，２により可変容量素子が形成される。
【００１７】
さらに、接合面における外形寸法は、絶縁基板２の方が小さいので、感圧チップ１の接合面側の露出表面（階段状部分）に、前記可変容量素子を含むセンサ回路の端子パッド部３が配設されている。このように、使用するセンサ本体は従来と同一の構成のものを用いることができる。
【００１８】
ここで本発明では、同図に示すように、センサ本体を外部接続基板５に接合するに際し、外形寸法の小さい半導体基板２を外部接続基板５と接合するようにしている。この外部接続基板は、主体は絶縁基板からなり、外部接続基板５の外形寸法は感圧チップ１よりすこし大きく設定している。また、外部接続基板５の下面には表面実装用の金属バンプ６が形成されている。
【００１９】
そして、上記したように半導体基板２と外部接続基板５を接続したことから、外部接続基板５の接合面には、絶縁基板２と接合されない領域が形成され、係る領域を前記感圧チップ１に設けた端子パッド部３と対向するようにする。これにより、係る領域では、外部接続基板５と感圧チップ１との間で、絶縁基板２の厚さに応じた距離だけ離反した隙間空間が形成され、その隙間空間内に端子パッド部３が存在することになる。
【００２０】
そこで、外部接続基板５の上面（接合面）における前記端子パッド部３と対向する部分に中継コンタクト手段が設けられ、この中継コンタクト手段を介して前記端子パッド部３と前記金属バンプ６とが電気的に接続されている。図２の実施の形態においては、中継コンタクト手段として、外部接続基板５に起立形成された金属ピン７を用い、フリップチップ１５を介して端子パッド部３と金属ピン７を接続している。よって、図示省略の実装基板上に、外部接続基板５を置くとともに金属バンプ６を介して実装基板上に面実装ができ、また、金属ピン７を介して実装基板の配線パターンと導通がとれる。
【００２１】
また、中継コンタクト手段としては、上記した実施の形態に限ることはなく、以下に示す各種の形態をとれる。すなわち、図３に示す第２の実施の形態においては、絶縁基板２の厚さを薄くしたため、前記中継コンタクト手段としてハンダ或いはハンダボール８を用いることができる。なお、図示の例では、外部接続基板５の対向面に金属製のターミナル１６を設け、そのターミナルにハンダボール８が接合される。また、このように絶縁基板２が薄くなると、図２に示すように金属ピン７を用いる必要がなくなり、図２におけるハンダボール８に替えてフリップチップによる接続もできる。つまり、この場合にフリップチップが中継コンタクト手段となる。
【００２２】
さらには、絶縁基板２を薄くするのではなく、図４に示す第３の実施の形態のように、外部接続基板５に台座９を用いる（上面にターミナル１６がある）ことにより、フリップチップ１５による接続ができる。この場合に台座９としては、導電材料で形成するとよい。そして、この形態における中継コンタクト手段は、フリップチップ１５や台座９（導電性材料の場合）となる。さらに、台座９の部分を導電性ゴムで形成すると、そのゴムの弾性力を利用してフリップチップ１５を設けずに直接端子パッド部との導通を図ることもできる。
【００２３】
また図５に示す第４の実施の形態においては、外部接続基板５の上面に所定形状の窪み部５ａを形成しておき、絶縁基板２の下部をその窪み部５ａにはめ込んで接合する。こうすることでセンサ構造体の全高をより小さくできる。また図６に示す第５の実施の形態においては、外部接続基板５としてフレキシブル印刷配線板を用いている。この実施の形態によればさらに全高を小さくできる。そして、第４，第５の実施の形態はいずれもフリップチップ１５を用いて導通を図るようにしたが、上記した各例のようにハンダ，ハンダボール，バンプなど各種の構成をとることができる。
【００２４】
以上説明したいずれの実施の形態においても、各基板１，２，５の接合部分にシリコーン樹脂等のモールド樹脂１０を塗布し、樹脂モールドにより全体的に封止し、保護している。また各図に示しているように、外部接続基板５の中央部に貫通孔１１を形成し、絶縁基板２に設けた貫通孔１１ａを介して感圧チップ１のダイヤフラムに外部の圧力を導くようにしている。もちろん、図１に示したように絶縁基板２と感圧チップ１の接合面に設けた穴や、感圧チップ１の上方から圧力を供給するようにした場合には、この貫通孔１１，１１ａは設けなくてもよい。
【００２５】
図７は、第６の実施の形態を示している。本実施の形態では、絶縁基板２の周囲に感圧チップ１の未接合領域が存在し（上記した第５の実施の形態までは、一辺側にのみ未接合領域が存在していた）端子パッド部３が両側に位置している。これに伴い外部接続基板５の両側に中継コンタクト手段としてのハンダボール８を介して補助基板１７と接続を図っている。なお、この補助基板１７は、上記した各実施の形態で説明したターミナルととらえてもよいし、底上げ用の台座ととらえてもよいし、補助基板１７を外部接続基板５の一部と考えその補助基板１７の内側を窪み部５ａが形成されているととらえてもよい。
【００２６】
そして、図示するように外部接続基板５に形成した金属バンプ６を介して実装基板１８に接続している。このような実装基板１８への接続形態は、上記した各実施の形態で共通である。
【００２７】
また、別紙の実装構造の一例としては、図８に示すようにすることができる。すなわち、中継コンタクト手段として金属チップ１９を用いフリップチップ１５との接続を図ったタイプのセンサ本体を用い、それを外部接続基板５と導通を図る。これにより半導体センサが構成される。各実施の形態と等価の他の該当部分は同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００２８】
これを基板２２にバンプ６を介して接続し、この基板２２をネジ２３によりケース２４に取り付ける。そして、外部接続基板５と同様に、基板２２及びケース２４にも厚さ方向に貫通する圧力導入孔２６を設け、外部からの圧力導入を図っている。なお、外部接続基板５と基板２２の間及び基板２２とケース２４の間の圧力導入孔２６の周囲には、Ｏリング２５を介在させて気密性の保持を図っている。
【００２９】
図９は、本発明に係る半導体センサの実装構造の実施の形態を示している。
実施の形態でも、使用するセンサ本体自体の構造は、上記した各実施の形態と同様である。そして、外形寸法の小さい絶縁基板２を実装基板１８側に向けて配置する。感圧チップ１に設けた端子パッド部３と実装基板１８の間には連結部材２８が設けられている。この連結部材２８は、本形態では、平面ロ字状で絶縁基板２の外周囲に位置するように配置している。そして、ガラスエポキシの両面基板を用い、両面をスルーホール２９で接続している。つまり、端子パッド部３は連結部材２８の片面に形成した配線パターン２８ａと導通を図り、その配線パターン２８ａの端部にスルーホール２９を接続し連結部材２８の裏面側に導く。そして、そのスルーホール２９の裏面側端部に実装基板１８の配線パターンを位置させることにより、端子パッド部３を実装基板１８に導くことができる。
【００３０】
さらに本形態では、連結部材２８の上面に蓋状のケース３０を接続し、ケース３０にてセンサ本体を覆っている。このケース３０の天面には、圧力導入管３０ａが設けられており、この圧力導入管３０ａを介して導入される測定圧力が、感圧チップ１に設けたダイヤフラムに加わるようになっている。
【００３１】
上記した実施の形態では、連結部材２８として、平面ロ字状の上下開口した基板を用いたが、本発明はこれに限ることはなく、例えば図１０に示すように、底面を有する連結部材３２を用いてもよい。つまり、連結部材３２の上面に凹部３２ａを設け、この凹部３２ａ内に絶縁基板１を挿入する。そして、連結部材３２に設けたスルーホール３３を介して端子パッド部３と実装基板１８に設けた配線パーターン（図示せず）との導通を図るようにしている。そして、スルーホール３３の両端では、バンプ（ハンダ，金）３５を用いて電気的接続を図っている。
【００３２】
図１１は、さらに別の実施の形態であり、この例では、連結部材を設けることなく、直接実装基板１８に半導体センサを実装している。すなわち、実装基板１８に穴部１８ａを設ける。そして、その穴部１８ａ内に半導体センサの小さい基板（この例では、感圧チップ１）を挿入する。大きい基板（絶縁基板２）に設けた端子パッド部３を、実装基板１８上の配線パターン（電極ランド）に直接接続するようにしている。このようにすると、上記した図９，図１０に示す基板に比べて高さを低く抑えることができる。
【００３３】
なお、本形態では、実装基板１８の穴部１８ａの底面を開口し、その開口部１８ｂを介してダイヤフラム１ａに比較圧力（基準圧力）となる大気圧が加わるようにしている。また、実装基板１８の上面側もケース３０で覆い、圧力導入管３０ａから測定圧力をケース３０の内部に導入し、絶縁基板２の圧力導入孔２ａを介してダイヤフラム１ａに測定圧力を加えるようにしている。また、センサ本体と実装基板１８の接続及びケース３０と実装基板１８との接続は、接着剤３６を介して行うようにしている。
【００３４】
なお、上記した各実施の形態では、いずれも圧力センサに適用した例を示したが、本発明はこれに限ることはなく、加速度センサ等の他の半導体センサにも適用できる。さらに、検出方式として静電容量型に限ることもなく、ピエゾ型その他の形態にも適用できる。また、半導体センサの各実施の形態では、いずれも感圧チップ１の方が外形寸法形状が大きい例を説明したが、これに限ることはなく図１１に示すものと同様に、絶縁基板側が大きくても問題がない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、端子パッド部と取付基板（外部接続基板・実装基板）を対向させたため、中継コンタクト手段により簡単に接続できる。よって、ワイヤボンディングのように、外部に引き回す必要がなく、チップサイズと同程度の占有面積ですみ、小型化が図れる。このセンサを外部周辺回路システムに組み込むのに一般的な表面実装方式を採用できるので、既存の実装技術により高能率に高密度な実装を行うことができる。さらに、センサ核心部及びこれに付随した中継コンタクト部分が樹脂モールドされるので、耐環境性が向上するとともに、モールドによる樹脂封止部分も含んだセンサ全体を従来よりも小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象となる半導体センサの素体構造（センサ本体）を示す図である。
【図２】本発明の第１実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図３】本発明の第２実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図４】本発明の第３実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図５】本発明の第４実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図６】本発明の第５実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図７】本発明の第６実施の形態に係る半導体センサの構造図である。
【図８】本発明の半導体センサの実装例を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体センサの実装構造の一実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明に係る半導体センサの実装構造の別の実施の形態を示す図である。
【図１１】本発明に係る半導体センサの実装構造のさらに別の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 感圧チップ（半導体基板）
２ 絶縁基板
３ 端子パッド部
４ 穴
５ 外部接続基板
６ 金属バンプ
７ 金属ピン
８ ハンダボール
９ 台座
１０ モールド樹脂
１１ 貫通孔

Claims (6)

1. 物理量に応じて変位する可動部位を備えた半導体基板と、絶縁基板とが接合され、前記半導体基板と前記絶縁基板は、両者の接合面における外形寸法を異ならせ、少なくとも一方の接合面を露出させるとともに、その露出部分にセンサ回路の端子パッド部を設けたセンサ本体と、
   そのセンサ本体が取り付けられる外部接続基板とを備え、
   前記半導体基板と前記絶縁基板のうち外形寸法の小さい方と、前記外部接続基板とが接合され、
   その外部接続基板の外形寸法を前記センサ本体との接合面より大きくして、前記端子パッド部と前記外部接続基板の接合面側表面とを対向させ、
   前記外部接続基板の接合側表面露出部と前記端子パッド部の対向する部分に中継コンタクト手段が設けられ、この中継コンタクト手段を介して外部回路との接続を可能とした半導体センサ。
2. 前記中継コンタクト手段の部分が樹脂モールドされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体センサ。
3. 前記外部接続基板の前記センサ本体との接合面に窪み部を形成し、前記センサ本体を構成する基板のうち前記外部接続基板に接合する基板の下部を前記窪み部に挿入した状態で前記外部接続基板と前記センサ本体とを接合するようにした請求項１または２に記載の半導体センサ。
4. 前記外部接続基板としてフレキシブル印刷配線板を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体センサ。
5. 物理量に応じて変位する可動部位を備えた半導体基板と、絶縁基板とが接合され、前記半導体基板と前記絶縁基板は、両者の接合面における外形寸法を異ならせ、少なくとも一方の接合面を露出させるとともに、その露出部分にセンサ回路の端子パッド部を設けたセンサ本体を有した半導体センサの実装基板への実装構造であって、
   前記半導体基板と前記絶縁基板のうち外形寸法の小さい方を、前記実装基板側に位置させるとともに、前記端子パッド部を前記実装基板に設けた配線パターンと対向させ、
   前記実装基板に形成された配線パターンと、前記端子パッド部を直接或いは連結部材を介して接続するようにした半導体センサの実装構造。
6. 前記実装基板の取付面に穴部を設け、前記センサ本体の外形寸法の小さい方の基板をその穴部内に挿入するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の半導体センサの実装構造。

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