JP4582888B2 - 圧力検出装置用パッケージ - Google Patents
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Description
【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4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、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、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、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と対向して被着され、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、この第一電極と対向する静電容量形成用の第二電極を内側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、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。そして、通常、このようなパッケージにおいては、絶縁基体や絶縁板は、その生産性を考慮してその外周が略四角形状であり、第一電極は略円形に、第二電極は絶縁板の下面全面に形成されていた。枠体もこれに合わせて外周を略四角形状とし、内周を第一電極に合わせた略円形としていた。
【0005】
しかしながら、この圧力検出装置用パッケージによると、外周が略四角形で内周が円形の枠体の上面に外周が略四角形の絶縁板の下面全面に形成した第二電極をろう付けしたことから、ろう付けの幅が絶縁板の各辺の中央部と各角部とで大きく異なり、そのため、枠体上面に絶縁板をろう付けする際に溶融したろう材が絶縁板の各角部に大きく集中してろう材の厚みが不均一となり、その結果、第一電極と第二電極との間に形成される静電容量が大きくばらついてしまい、そのため外部の圧力を正確に検出することが困難である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、小型でかつ感度が高く、しかも外部の圧力をばらつきなく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の一態様は、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有するとともに他方の主面の中央部に被着された静電容量形成用の第一電極を有し、他方の主面の外周部に第一電極を囲繞するように設けられた、内周が円形で外周が略四角形の枠体を備えた略四角平板状の絶縁基体と、一方の主面に中央部が第一電極に対向するとともに外周部が枠体上にろう付けされた静電容量形成用の略円形の第二電極を有し、絶縁基体との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で枠体に取着された略四角平板状の絶縁板と、第二電極のろう付けされた外周部と第二電極の第一電極に対向する中央部との間の表面に被着された枠状の絶縁層とを備えた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、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する略四角平板状の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、この第一電極と対向する静電容量形成用の第二電極を有する略四角平板状の絶縁板を、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、第二電極が略円形であることから、ろう付けの幅が全周にわたり略均一な幅となり、したがって、枠体上面に第二電極をろう付けする際に、ろう材の厚みが略均一となり、その結果、第一電極と第二電極との間に形成される静電容量にばらつきが発生することがない。
【0009】
次に、本発明を添付の図面を基に詳細に説明する。図1は、圧力検出装置用パッケージの参考例を示す断面図であり、図3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る。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・炭化珪素質焼結体・窒化珪素質焼結体・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平板状の積層体であり、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の各電極と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6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の露出表面には、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の上面外周部には絶縁基体1と同一材料から成り、外形が絶縁基体1と略同一で内周が円形の高さが0.01〜5mm程度の枠体1cが設けられており、それにより上面中央部に底面が略平坦な円形の凹部1dが形成されている。この凹部1dは、後述するように、絶縁板2との間に密閉空間を形成するためのものであり、この凹部1dの底面には静電容量形成用の第一電極7が被着されている。
【0016】
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。
【0017】
このような第一電極7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の凹部1d底面に略円形のパターンに形成される。なお、第一電極7の露出表面には、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。
【0018】
また、絶縁基体1の枠体1cの上面にはその略全面にわたり枠状の接合用メタライズ層8が被着されており、この接合用メタライズ層8には、下面に第二電極9を有する絶縁板2がこの第二電極9と接合用メタライズ層8とを銀−銅ろう材等のろう材を介してろう付けすることにより取着されている。なお、この例では、接合用メタライズ層8は枠体1cの略全面にわたり設けたが、内周が枠体1cの内周に略一致するとともに外周縁が略円形や略八角形となるように設けてもよい。
【0019】
この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接合用メタライズ層8に接続された第二電極9と半導体素子3の電極とが電気的に接続されるようになっている。
【0020】
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の枠体1c上面に枠状の所定のパターンに形成される。なお、接合用メタライズ層8の露出表面には、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・窒化珪素質焼結体・炭化珪素質焼結体・ガラス−セラミックス等のセラミックス材料から成る厚みが0.01〜5mmの略四角平板であり、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、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の厚みは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。この場合、絶縁板2は、略四角平板状であることから、セラミックグリーンシートを縦横に切断するだけで絶縁板2用の生セラミック成形体を得ることができるので、その製作が極めて容易であるとともに効率良く製作することができる。
【0024】
また、絶縁板2の下面には図2に下面図で示すように、静電容量形成用の略円形の第二電極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電極として機能するとともに絶縁板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する。
【0025】
このような第二電極9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板2用のセラミックグリーンシートに略円形のパターンに印刷塗布し、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の下面に略円形のパターンに形成される。
【0026】
この第二電極9と接合用メタライズ層8とは銀−銅ろう材等のろう材を介して接合されており、それにより、絶縁基体1上面と絶縁板2下面との間に密閉空間が形成されるとともに接合用メタライズ層8と第二電極9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】
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と対向する静電容量形成用の第二電極9を内側面に有する絶縁板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。
【0029】
なお、第一電極7と第二電極9との間隔が1気圧中において0.01mm未満の場合、絶縁板2に大きな圧力が印加された際に、第一電極7と第二電極9とが接触して圧力を検出することができなくなってしまう危険性があり、他方、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り、圧力を検出する感度が低いものとなる傾向にある。したがって、第一電極7と第二電極9との間隔は、1気圧中において0.01〜5mmの範囲が好ましい。
【0030】
また、絶縁基体1の枠体1c上に絶縁板2を接合するには、枠体1c上の接合用メタライズ層8および第二電極9の表面に予め1〜10μm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、接合用メタライズ層8と第二電極9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接合用メタライズ層8と第二電極9の外周部とをろう付けする方法が採用される。このとき、第二電極9は円形であることから、ろう付けの幅が全周にわたり略一定となり、これを枠体1c上の接合用メタライズ層8にろう付けした際、ろう材が一部分に集中することなく、ろう材の厚みが略均一となる。したがって、本発明の圧力センサ素子収納用パッケージによれば、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ばらつくことがない。
【0031】
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く、しかも外部の圧力をばらつきなく正確に検出することが可能な圧力検出装置となる。
【0032】
本例の圧力検出装置用パッケージは、図3に断面図で示すように、第二電極9のろう付けされた外周部と第一電極7に対向する中央部との間の表面に略円形の枠状の絶縁層10が被着されている。このような絶縁層10を設けることにより第二電極9と接合用メタライズ層8とを接合するろう材が第二電極の中央部に流出することを防止し、それにより第一電極7と第二電極9との間に形成される静電容量のばらつきをさらに小さいものとすることができる。このような絶縁層10は、絶縁板2と実質的に同一の材料で形成すれば良く、絶縁板2用の生セラミック成形体に塗布した第二電極9用のメタライズペーストの表面に絶縁層10用の絶縁ペーストを公知のスクリーン印刷法により所定のパターンに印刷塗布し、これを絶縁板2用の生セラミック成形体および第二電極9用のメタライズペーストとともに焼成することによって形成される。なお、このようなろう材流出防止用の絶縁層10を設ける場合、絶縁層10はその厚みが5μm未満では、枠体1c上面に第二電極9の外周部をろう付けする際、ろう材が第二電極9の中央部に流出することを防止することができなくなるおそれがあり、他方、500μmを超えると、絶縁板2の良好な撓みを阻害するおそれがある。したがって、絶縁層10の厚みは、5〜500μmの範囲が好ましい。また、絶縁層10は、その幅が0.1mm未満では、枠体1c上面に第二電極9の外周部をろう付けする際、ろう材が第二電極の中央部に流出することを防止することができなくなるおそれがある。したがって絶縁層10の幅は、0.1mm以上であることが好ましい。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。
【0033】
【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の一態様によれば、一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有する略四角平板状の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、この第一電極と対向する静電容量形成用の第二電極を有する略四角平板状の絶縁板を、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、第二電極が略円形であることから、ろう付けの幅が全周にわたり略均一な幅となり、したがって、枠体上面に第二電極をろう付けする際に、ろう材の厚みが略均一となり、その結果、第一電極と第二電極との間に形成される静電容量にばらつきが発生することがなく、外部の圧力をばらつきなく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。さらに、第二電極のろう付けされた外周部と第二電極の第一電極に対向する中央部との間の表面に被着された枠状の絶縁層を備えていることから、第二電極と枠体とを接合するろう材が第二電極の中央部に流出することを防止し、それにより第一電極と第二電極との間に形成される静電容量のばらつきをさらに小さいものとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】圧力検出装置用パッケージの参考例を示す断面図である。
【図2】図1に示す圧力検出装置用パッケージの絶縁板2の下面図である。
【図3】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4】従来の圧力検出装置を示す断面図である。
Claims (1)
- 一方の主面に半導体素子が搭載される搭載部を有するとともに他方の主面の中央部に被着された静電容量形成用の第一電極を有し、前記他方の主面の外周部に前記第一電極を囲繞するように設けられた、内周が円形で外周が略四角形の枠体を備えた略四角平板状の絶縁基体と、一方の主面に中央部が前記第一電極に対向するとともに外周部が前記枠体上にろう付けされた静電容量形成用の略円形の第二電極を有し、前記絶縁基体との間に密閉空間を形成するように可撓な状態で前記枠体に取着された略四角平板状の絶縁板と、前記第二電極のろう付けされた外周部と前記第二電極の前記第一電極に対向する中央部との間の表面に被着された枠状の絶縁層とを備えたことを特徴とする圧力検出装置用パッケージ。
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