JP4582888B2

JP4582888B2 - 圧力検出装置用パッケージ

Info

Publication number: JP4582888B2
Application number: JP2000294717A
Authority: JP
Inventors: 浩司木野村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002107252A

Description

【０００１】
【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

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。