JP5295388B2 - フォースセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷重測定用のピエゾ抵抗素子を複数備えたセンサ基板をベース基板に接合してなるフォースセンサ及びその製造方法に関する。

近年では、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに荷重測定用のフォースセンサが用いられている。フォースセンサとしては、外部からの荷重を受ける受圧部と、この受圧部で受けた荷重に応じて変位する変位部と、受圧部を設けた側とは反対側の面から変位部を変位自在に支持する支持部と、変位部の変位量を検出するピエゾ抵抗素子と、このピエゾ抵抗素子と電気的に接続した電気接続部とを形成したセンサ基板を備え、このセンサ基板をベース基板に接合した状態で外部実装可能にしたタイプが知られている。フォースセンサの外部実装は、具体的には、センサ基板の電気接続部と導通接続させたベース基板の電極パッド部をワイヤーボンディングにより外部回路と電気的に接続するか、あるいは、ワイヤーボンディングによりセンサ基板の電気接続部とベース基板の電極パッド部を導通接続させたパッケージを備え、このパッケージと外部回路を電気的に接続することで実現できる。このような従来構造のフォースセンサは、例えば特許文献１に記載されている。

特開平１０−３２５７７２号公報

従来構造では、例えば特許文献１に記載されているように、センサ基板とベース基板を３００〜４００℃、電圧５００〜１０００Ｖで陽極接合していた。しかし、２５０℃以上の高温で基板接合をおこなうと、センサ基板、ベース基板及び接合材料の熱膨張係数の違いから、基板接合部（センサ基板の支持部及び電気接続部）に残留応力が生じて、センサ基板が歪んでしまうことがあった。センサ基板が歪むと、該センサ基板に備えた複数のピエゾ抵抗素子からなるブリッジ回路の出力ゼロ点が大きくシフトしたり、出力ゼロ点のばらつきが大きくなったり等するため、歩留まりが低下してしまう。また、特許文献１に記載されているようなセンサ基板とベース基板の接合面にパッド電極を設け、貫通電極でリードを外部に引き出す構造では、センサ基板とベース基板の接合と、パッド電極とリードの接合とを両立しなければならない。

本発明は、ピエゾ抵抗素子を複数備えたセンサ基板をベース基板に接合してなるフォースセンサにおいて、基板接合後の残留応力による基板歪みを低減でき、歩留まりを改善できるフォースセンサ及びその製造方法を得ることを目的とする。

本発明は、基板接合時に生じる残留応力がセンサ基板を歪ませ、該センサ基板に設けた複数のピエゾ抵抗素子によるブリッジ回路の出力ゼロ点ずれの原因であることを認識し、センサ基板とベース基板を２５０℃未満の低温で接合すれば基板接合による残留応力を低減できることに着目して完成されたものである。

すなわち、本発明は、受圧部を介して外部からの荷重を受けたときに変位部が変位し、該変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子を備えたセンサ基板を、ベース基板に接合してなり、前記センサ基板には、前記受圧部とは反対側の前記複数のピエゾ抵抗素子を形成した面に、少なくとも一部が前記複数のピエゾ抵抗素子と平面的に重複するように位置して前記変位部を変位自在に支持するセンサ側支持部と、このセンサ側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数
のセンサ側電気接続部とを設け、かつ、前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内周エッジを有する平面形状で設け、前記複数のセンサ側電気接続部は、前記センサ側支持部の外周を囲むように前記センサ基板の周縁に沿わせて設け、前記受圧部と前記複数のピエゾ抵抗素子を各々中心で結ぶ仮想ラインから外れた位置で分割されていること、及び、前記ベース基板には、前記センサ基板との接合面側に、前記センサ側支持部に接合するベース側支持部と、このベース側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のセンサ側電気接続部に接合する複数のベース側電気接続部と、各ベース側電気接続部から引き出した電気配線の端部に外部接続可能に形成した複数の電極パッドとを設けたことを特徴としている。
この態様によれば、センサ側支持部で囲まれた変位部に封止樹脂が浸入することなく、かつ、複数のセンサ側電気接続部によりセンサ側支持部から基板周縁までのスペースが埋められて封止樹脂の浸入を抑えられるので、樹脂硬化による残留応力が低減する。また、複数のセンサ側電気接続部の分割による影響を複数のピエゾ抵抗素子に与えずに済む。

前記センサ側支持部と前記複数のセンサ側電気接続部のいずれか一つは、兼用させることができる。

前記複数のセンサ側電気接続部は、平面矩形状をなすセンサ基板の角部にそれぞれ設けることができる。前記センサ側支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称に設けることが好ましく、この態様によれば変位部を安定に支持できる。より具体的に前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内周エッジを有し、前記センサ基板の角部を除いて前記センサ基板の周縁に沿う平面形状で設けられていることが好ましい。

一方、ベース基板には、前記ベース側支持部を前記センサ側支持部の内周エッジに対応する閉じた内周エッジを有する平面形状で設け、このベース側支持部とセンサ側支持部の接合により前記内周エッジで囲まれた空間を封止することが好ましい。

前記センサ側支持部の内周エッジは、前記各ピエゾ抵抗素子の中心から±１０μｍ以内の距離範囲に位置させることが好ましい。この態様によれば、センサ感度を向上させることができる。

前記センサ側支持部と前記ベース側支持部及び前記センサ側電気接続部と前記ベース側電気接続部は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる膜厚３００ｎｍ以下の金属接合層を介して接合していることが好ましい。この態様によれば、２５０℃未満の低温で金属接合できる。

前記ベース基板を接着固定し、かつ、ワイヤーボンディングにより該ベース基板の複数の電極パッドと電気的に接続した複数の電極パッドと該各電極パッドに電気的に接続した複数の外部実装端子とを有するパッケージと、このパッケージ上の前記ベース基板及び前記センサ基板の周囲を固定する封止樹脂とを備えることができる。

また本発明は、製造方法の態様によれば、変位部を有するセンサ基板の表裏面の一方に、該変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、この複数のピエゾ抵抗素子と少なくとも一部が平面的に重複する位置で前記変位部を変位自在に支持するセンサ側支持部と、このセンサ側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数のセンサ側電気接続部とを有するセンサ構造部を多数形成する工程と、 前記センサ基板の表裏面の他方に、各センサ構造部の変位部に外部からの荷重を与える受圧部を多数形成する工程と、前記複数のセンサ側電気接続部は、前記センサ側支持部の外周を囲むように前記センサ基板の周縁に沿い、前記受圧部と前記複数のピエゾ抵抗素子を各々中心で結ぶ仮想ラインから外れた位置で分割されるように設け、前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内側エッジを有する平面形状で設けて、多数形成する工程と、ベース基板の表裏面の一方に、前記複数のセンサ側電気接続部に対応する複数のベース側電気接続部と、各ベース側電気接続部から引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッドと、前記複数のベース側電気接続部で囲まれた領域に位置させた前記センサ側支持部に対応するベース側支持部とを有するベース構造部を多数形成する工程と、常温から２５０℃未満の雰囲気において前記センサ基板と前記ベース基板を圧着し、前記複数のセンサ側電気接続部とベース側電気接続部かつ前記センサ側支持部と前記ベース側支持部を同時に接合する工程と、前記センサ基板及び前記ベース基板を一対のセンサ構造部とベース構造部からなるチップ単位で切断する工程とを有することを特徴としている。

前記複数のセンサ側電気接続部と前記複数のベース側電気接続部かつ前記センサ側支持部と前記ベース側支持部には、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層を３００ｎｍ以下の膜厚で形成しておき、この金属接合層を介して、該複数のセンサ側電気接続部と複数のベース側電気接続部かつセンサ側支持部とベース側支持部を接合することが好ましい。

本発明によれば、センサ側支持部とベース側支持部及びセンサ側電気接続部とベース側電気接続部が２５０℃未満の低温で接合しているので、基板接合部に生じる残留応力は低減する。さらに、センサ側支持部及びベース側支持部と複数のセンサ側電気接続部及びベース側電気接続部とのうち少なくとも一つを基板周縁に沿って設けたので、センサ基板とベース基板の間に侵入する封止樹脂を抑えられる。これにより、センサ基板に設けた複数のピエゾ抵抗素子に悪影響を与えずに済み、歩留まりを改善できるフォースセンサ及びその製造方法を提供できる。

本発明を適用したフォースセンサの第１実施形態を示す模式断面図である。 同フォースセンサを上面側から見て示す平面図である。 同フォースセンサのセンサ基板の裏面（接合面）を示す平面図である。 同フォースセンサのベース基板の表面（接合面）を示す平面図である。 本発明によるフォースセンサの製造方法の一工程を示す模式断面図である。 図５の次工程を示す模式断面図である。 図６の次工程を示す模式断面図である。 図７の次工程を示す模式断面図である。 本発明を適用したフォースセンサの第２実施形態を上面側から見て示す上面透視図である。 同フォースセンサのセンサ基板の裏面（接合面）を示す平面図である。 同フォースセンサのベース基板の表面（接合面）を示す平面図である。 本発明を適用したフォースセンサの第３実施形態を上面側から見て示す上面透視図である。 同フォースセンサのセンサ基板の裏面（接合面）を示す平面図である。 同フォースセンサのベース基板の表面（接合面）を示す平面図である。 本発明を適用したフォースセンサの第４実施形態を上面側から見て示す上面透視図である。 同フォースセンサのセンサ基板の裏面（接合面）を示す平面図である。 同フォースセンサのベース基板の表面（接合面）を示す平面図である。

図１〜図８は、本発明を適用したフォースセンサの第１実施形態を示している。図１はフォースセンサ１の断面図、図２はフォースセンサ１を上面側から見て示す平面図、図３はセンサ基板１０の裏面１０ｂ（ベース基板２０との接合面）を示す平面図、図４はベース基板２０の表面２０ａ（センサ基板１０との接合面）を示す平面図である。

フォースセンサ１は、ピエゾ抵抗方式のフォースセンサであって、一対のセンサ基板１０とベース基板２０を備えている。

センサ基板１０は、平面矩形状で巨視的に見て凹凸のない一定厚さのシリコン基板からなり、その基板中央部が荷重を受けて変位する変位部１１を構成している。このセンサ基板１０の表面１０ａには、図１、図２に示されるように、外部からの荷重を受ける受圧部１２が設けられている。受圧部１２は、変位部１１の上に***した円柱状の凸受圧部であり、その上面周縁に丸め加工（Ｒ加工）が施されていると好ましい。この受圧部１２は、ニッケル合金またはシリコン（センサ基板１０と同一材質）からなる。受圧部１２は省略可能であるが、変位部１１上に受圧部１２を設けることでセンサ感度を安定させることができる。一方、センサ基板１０の裏面１０ｂには、図１、図３に示されるように、歪検出素子としての複数のピエゾ抵抗素子１３と、変位部１１を変位自在に支持する支持部（センサ側支持部）１４と、複数のピエゾ抵抗素子１３と電気的に接続した複数の電気接続部（センサ側電気接続部）１５と、ピエゾ抵抗素子１３と電気接続部１５間を接続する回路配線部１６とが設けられている。図３は、ピエゾ抵抗素子１３、支持部１４、電気接続部１５及び回路配線部１６の平面的な位置関係を示すもので、全てを実線で描いている。

複数のピエゾ抵抗素子１３は、変位部１１の周縁部に沿って、隣り合う素子同士が９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で配置されている。受圧部１２で受けた荷重により変位部１１が変位すると、その変位量に応じて複数のピエゾ抵抗素子１３の電気抵抗が変化し、この複数のピエゾ抵抗素子１３によって構成されたブリッジ回路の中点電位が変化し、この中点電位がセンサ出力として公知の測定装置に出力される。

支持部１４は、センサ基板１０の裏面１０ｂに突出形成され、変位部１１の周縁部に沿って配置した複数のピエゾ抵抗素子１３よりも基板周縁側で、かつ、少なくとも一部が複数のピエゾ抵抗素子１３と平面的に重複するように位置している。本実施形態の支持部１４は、図３に示すように平面環状（閉じた内周エッジαを有する平面形状）をなしていて、変位部１１の平面中心に関して対称な位置関係にあり、変位部１１を安定に支持することができる。この支持部１４は、下地層１４ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層１４ｂとの積層構造で形成されている。

複数の電気接続部１５は、上記支持部１４と同様にセンサ基板１０の裏面１０ｂに突出形成され、該支持部１４よりもさらに基板周縁側に位置している。本実施形態では図３に示すように、各電気接続部１５が円柱状をなし、平面矩形状をなすセンサ基板１０の裏面１０ｂの４つの角部にそれぞれ配置されている。複数の電気接続部１５は、センサ基板１０の対角線上で対向する一対が変位部１１の平面中心に関して対称な位置関係にあるので、変位部１１を安定に支持することができる。各電気接続部１５は、下地層１５ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層１５ｂとの積層構造で形成されている。この複数の電気接続部１５は、センサ基板１０の裏面１０ｂに形成された回路配線部１６を介して、複数のピエゾ抵抗素子１３と電気的に接続されている。複数のピエゾ抵抗素子１３と回路配線部１６は、絶縁膜１７により覆われてセンサ基板１０の裏面１０ｂに露出しない。

ベース基板２０は、平面矩形状で巨視的に見て凹凸のない一定厚さのシリコン基板からなり、センサ基板１０を接合して支持する支持基板である。このベース基板２０は、図４に示すように、センサ基板１０との接合面となる表面２０ａに、センサ基板１０の支持部１４に対応する平面環状（閉じた内周エッジαを有する平面形状）の支持部２４と、センサ基板１０の複数の電気接続部１５に対応する円柱状の複数の電気接続部２５と、各電気接続部２５から引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッド２６とを備えている。支持部２４及び複数の電気接続部２５は、ベース基板２０の表面２０ａに突出形成されている。支持部２４は、センサ基板１０の支持部１４と同様に、下地層２４ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層２４ｂとの積層構造で形成されている。複数の電気接続部２５は、センサ基板１０の複数の電気接続部１５と同様に、下地層２５ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層２５ｂとの積層構造で形成されている。電極パッド２６は、下地層２６ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層２６ｂと、例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｌ等からなるメッキ金属層２６ｃとによる積層構造で形成されている。下地層２４ａ、２５ａ、２６ａは同時に形成され、金属接合層２４ｂ、２５ｂ、２６ｂは同時に形成されたものである。

上記センサ基板１０とベース基板２０は、互いの支持部１４、２４の金属接合層１４ｂ、２４ｂ同士及び互いの各電気接続部１５、２５の金属接合層１５ｂ、２５ｂ同士を接合することにより、一体化されている。金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂの膜厚は３００ｎｍ以下としてある。この膜厚範囲であれば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜の表面粗さは３ｎｍ以下となり、常温から２５０℃未満の低温で支持部１４、２４同士及び複数の電気接続部１５、２５同士を接合することができる。金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂは、単層であっても積層であってもよい。

金属接合したセンサ基板１０とベース基板２０は、ベース基板２０がパッケージ基板４０上にダイボンディングされ、パッケージ基板４０を介して外部実装可能な状態となっている。すなわち、ベース基板２０に設けた複数の電極パッド２６がボンディングワイヤー４１によってパッケージ基板４０の複数の中継電極パッド４２にそれぞれ接続され、この複数の中継電極パッド４２を介してパッケージ基板４０の外面に設けられた不図示の外部実装端子と電気的に接続されている。パッケージ基板４０上のセンサ基板１０及びベース基板２０の周囲は封止樹脂４３で覆われていて、封止樹脂４３によりセンサ基板１０とベース基板２０の接合及びベース基板２０とパッケージ基板４０の接合が強化されている。

次に、図５〜図８を参照し、本発明によるフォースセンサの製造方法について説明する。図５〜図８は、フォースセンサの製造方法の一工程を示す模式断面図である。

先ず、基板裏面１０ｂに上述の複数のピエゾ抵抗素子１３、支持部１４、複数の電気接続部１５、回路配線部１６及び絶縁膜１７によるセンサ構造部を多数形成したセンサ基板１０（図３）と、基板表面２０ａに上述の支持部２４、複数の電気接続部２５及び複数の電極パッド２６によるベース構造部を多数形成したベース基板２０（図４）を用意する。このセンサ基板１０とベース基板２０において、支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５は、下地層１４ａ、１５ａ、２４ａ、２５ａと、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂとの積層構造で形成する。金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂは、例えばスパッタ蒸着により、３００ｎｍ以下の膜厚で形成しておく。上記合金は、膜厚３００ｎｍ以下で形成すると、その表面粗さが３ｎｍ以下になって、常温から２５０℃未満の低温状態での金属接合が可能となる。また、センサ基板１０の裏面１０ｂには、各センサ構造部毎に、ベース基板２０の各電極パッド２６と平面的に重複する位置に、基板ダイシング用の溝部１０ｃをそれぞれ形成しておく。

続いて、図５に示すように、センサ基板１０とベース基板２０を、互いの支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５を平面的に一致させて、対向させる。そして、図６に示すように、常温から２５０℃未満の低温状態でセンサ基板１０とベース基板２０を圧着接合する。金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂを介在させることで支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５は２５０℃未満の低温状態で良好に接合し、接合時に２５０℃以上の高温での加熱が不要となる。これにより、接合時の加熱による残留応力が支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５に生じにくく、生じても高温加熱時よりも低減するので、センサ基板１０及びベース基板２０の歪みを抑えられ、該センサ基板１０に設けた複数のピエゾ抵抗素子１３によるブリッジ回路の出力ゼロ点ずれを回避できる。本実施形態の支持部１４、２４は平面環状（閉じた内周エッジαを有する平面形状）で形成してあるので、接合により支持部１４、２４の内周エッジαで囲まれた空間が封止される。

基板接合後は、図７に示すように、センサ基板１０の表面１０ａに、外部からの荷重を受けるための受圧部１２を形成する。

続いて、図８に示すように、基板裏面１０ｂと溝部１０ｃの段差位置でセンサ基板１０を切断してベース基板２０の複数の電極パッド２６を露出させ、さらに、ベース基板１０を一対のセンサ構造部とベース構造部からなるチップ単位に切断する。

以上により、図１〜図４に示されるフォースセンサ１が多数同時に得られる。

第１実施形態によれば、センサ基板１０とベース基板２０に対応する支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５を設け、金属接合層１４ｂ、１５ｂ、２４ｂ、２５ｂを介して支持部１４、２４同士及び複数の電気接続部１５、２５同士を２５０℃未満の低温状態で接合したので、基板接合部（支持部１４、２４及び複数の電気接続部１５、２５）に生じる残留応力が２５０℃以上の高温加熱時よりも低減し、接合による基板歪みが抑えられて、センサ基板１０に設けた複数のピエゾ抵抗素子１３に悪影響を与えずに済む。これにより、該複数のピエゾ抵抗素子１３によるブリッジ回路の出力ゼロ点ずれを低減でき、歩留まりを改善できる。

第１実施形態では、平面環状の支持部１４、２４を備えたが、センサ基板１０及びベース基板２０に設ける支持部の平面形状は変形可能である。例えば、本実施形態の平面環状の支持部１４、２４を複数に分割して備えたり、四角柱状や円柱状の支持部を複数備えたりすることもできる。支持部を複数設ける場合、その配設位置は、複数のピエゾ抵抗素子１３よりも基板周縁側であって該複数のピエゾ抵抗素子１３と少なくとも一部が平面的に重複する位置であれば自由度があるが、変位部１１を安定に支持するために変位部１１の平面中心に関して対称に配置することが好ましい。

また、第１実施形態では外部実装可能なパッケージ基板４０を備えているが、パッケージ基板４０を備えず、ベース基板２０の複数の電極パッド２６をワイヤーボンディングにより外部回路に直接接続する構成としてもよい。この構成であっても外部実装容易である。

以上の第１実施形態では、基板接合強度を上げるために、センサ基板１０及びベース基板２０の周囲を封止樹脂４３で固定している。しかし、センサ基板１０及びベース基板２０の周囲を封止樹脂４３で固定すると、両基板１０、２０の周囲にできる空隙から支持部１４、２４の外側まで封止樹脂４３が浸入し、樹脂硬化時に生じる封止樹脂４３内部の残留応力によってセンサ基板１０が歪み、センサ特性（センサ感度及び複数のピエゾ抵抗素子１３により構成されたブリッジ回路の出力ゼロ点）が変動してしまうことが判明した。センサ基板１０の裏面１０ｂ及びベース基板２０の表面２０ａには電気配線が形成されており、この電気配線が存在することで両基板１０、２０の空隙間隔は部分的に異なる。一方、封止樹脂４３内部に生じる残留応力の大きさは、両基板１０、２０間に侵入した封止樹脂４３の体積分に応じて増減する。このため、センサ基板１０では、封止樹脂４３内部に生じた残留応力の大きい部分と小さい部分が混在して対称性が崩れ、これがセンサ特性を変動させる要因になっている。

以下に説明する第２〜第４実施形態は、上記第１実施形態の改良例であり、支持部及び電気接続部の少なくとも一方を基板周縁まで設けることでセンサ基板とベース基板の間に浸入する封止樹脂を減らし、樹脂硬化時に生じる残留応力による基板歪みを抑え、延いてはセンサ特性の変動を抑えることを図る。

図９〜図１１は、本発明を適用したフォースセンサの第２実施形態を示している。図９はフォースセンサ２を上面側から見て示す上面透視図、図１０はセンサ基板１０の裏面１０ｂを示す平面図、図１１はベース基板２０の表面を示す平面図である。なお、図１０では回路配線部１６を図示省略してある。

センサ基板１０の裏面１０ｂには、図１０に示すように、支持部１４と複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄが突出形成されている。図１０では、受圧部１２、ピエゾ抵抗素子１３、支持部１４及び電気接続部２１５ａ〜２１５ｄの平面的な位置関係を全て実線で描いてある。支持部１４は、第１実施形態の支持部と同一で、平面環状（変位部１１の外周を囲む閉じた内周エッジαを有する平面形状）をなし、複数のピエゾ抵抗素子１３が変位部１１の変位量を感度良く検知できるように各ピエゾ抵抗素子１３の中心から±１０μｍ以内の距離範囲に内周エッジαを位置させてある。複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄは、平面環状の支持部１４の外周を囲ってセンサ基板１０の周縁方向へ延び、センサ基板１０の周縁に沿って設けられている。この複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄは、図９の仮想ラインＸ１、Ｘ２を外した位置で分割されている。仮想ラインＸ１、Ｘ２は、受圧部１２の中心と各ピエゾ抵抗素子１３の中心を結ぶ直線であって、基板中心（受圧部１２の中心位置）で直交している。仮想ラインＸ１、Ｘ２外に複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄの分割位置を設けることで、センサ基板１０の対称性を極力崩さず、電気接続部の分割による影響を複数のピエゾ抵抗素子１３に与えずに済む。本実施形態では、一対の電気接続部２１５ｃ、２１５ｄで支持部１４の外周を囲み、残りの一対の電気接続部２１５ａ、２１５ｂを、該電気接続部２１５ｃ、２１５ｄよりも基板周縁側で仮想ラインＸ２に関して対称に配置した。各電気接続部２１５ａ〜２１５ｄ間の空隙及び電気接続部２１５ｃ、２１５ｄと支持部１４の間の空隙は、０．２μｍ程度である。

一方、ベース基板２０の表面２０ａには、図１１に示すように、センサ基板１０に設けた支持部１４及び複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄに対応する平面形状及び平面位置で突出形成した支持部２４及び複数の電気接続部２２５ａ〜２２５ｄと、各電気接続部２２５ａ〜２２５ｄから引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッド２６とが備えられている。ベース基板２０側の支持部２４及び複数の電気接続部２２４ａ〜２２５ｄは、センサ基板１０側の支持部１４及び複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄとのアライメントを考慮して、該支持部１４及び複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄよりも若干大きく形成してある。

この第２実施形態によれば、支持部１４、２４で囲まれた変位部１１に封止樹脂４３が浸入することなく、かつ、複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄ、２２５ａ〜２２５ｄが支持部１４、２４の外周から基板周縁までのスペースを埋めているので、接合したセンサ基板１０とベース基板２０の間に生じる空隙は第1実施形態よりも狭くなり、該空隙に浸入する封止樹脂４３が低減する。これにより、樹脂硬化時に生じる残留応力も低減し、該残留応力によるセンサ基板１０の歪みが抑えられ、センサ基板１０に設けた複数のピエゾ抵抗素子１３に悪影響を与えずに済む。すなわち、センサ特性の変動を抑えることができ、歩留まりを改善できる。複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄ、２２５ａ〜２２５ｄから基板周縁までの間隔は、３０μｍ以下にすることが好ましい。複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｄ、２２５ａ〜２２５ｄ以外の構成は第１実施形態と同一である。

図１２〜図１４は、本発明を適用したフォースセンサの第３実施形態を示している。図１２はフォースセンサ３を上面側から見て示す上面透視図、図１３はセンサ基板１０の裏面１０ｂを示す平面図、図１４はベース基板２０の表面を示す平面図である。なお、図１３では回路配線部１６を図示省略してある。

フォースセンサ３は、センサ基板１０及びベース基板２０において、支持部と複数の電気接続部のいずれかを兼用した実施形態である。センサ基板１０の裏面１０ｂには、第２実施形態の支持部１４と該支持部１４の外周を囲む一方の電気接続部２１５ｄを一体化した電気接続支持部３１５が設けられ、ベース基板２０の表面２０ａには、第２実施形態の支持部２４と該支持部２４の外周を囲む一方の電気接続部２２５ｄを一体化した電気接続部３２５が設けられている。電気接続支持部３１５、３２５は、支持部１４、２４の外周を囲む閉じた内周エッジαを有する平面形状をなしており、複数のピエゾ抵抗素子１３が変位部１１の変位量を感度良く検知できるように各ピエゾ抵抗素子１３の中心から±１０μｍ以内の距離範囲に内周エッジαを位置させてある。ベース基板２０側の電気接続支持部３２５は、アライメントを考慮して、センサ基板１０側の電気接続支持部３１５よりも若干大きく形成されている。図１３では、ピエゾ抵抗素子１３、電気接続部２１５ａ〜２１５ｃ及び電気接続支持部３１５の平面的な位置関係を全て実線で描いてある。

この第３実施形態においても、電気接続支持部３１５、３２５で囲まれた変位部１１に封止樹脂４３が浸入することなく、かつ、電気接続支持部３１５、３２５及び複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｃ、２２５ａ〜２２５ｃが変位部１１の外周から基板周縁までのスペースを埋めているので、第２実施形態と同様に、接合したセンサ基板１０とベース基板２０の間の空隙に浸入する封止樹脂４３は第１実施形態よりも減少し、樹脂硬化時の残留応力によるセンサ特性の変動を抑えることができる。電気接続支持部３１５、３２５及び複数の電気接続部２１５ａ〜２１５ｃ、２２５ａ〜２２５ｃ以外の構成は第１実施形態と同様である。

図１５〜図１７は、本発明を適用したフォースセンサの第４実施形態を示している。図１５はフォースセンサ４を上面側から見て示す上面透視図、図１６はセンサ基板１０の裏面１０ｂを示す平面図、図１７はベース基板２０の表面２０ａを示す平面図である。なお、図１６では回路配線部１６を図示省略してある。

平面矩形をなすセンサ基板１０の裏面１０ｂには、図１６に示すように、該裏面１０ｂの角部にそれぞれ配置した複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄと、変位部１１の外周を囲む閉じた内周エッジαを有し、裏面１０ｂの角部を除いてセンサ基板１０の周縁に沿って設けた支持部４１４とを備えている。支持部４１４は、別言すれば、内周エッジαからセンサ基板１０の角部を除いて該基板周縁まで延設されていて、その外形（輪郭）が略八角形をなしている。この支持部４１４の内周エッジαは、複数のピエゾ抵抗素子１３が変位部１１の変位量を感度良く検知できるように、各ピエゾ抵抗素子１３の中心から±１０μｍ以内の距離範囲に位置させてある。支持部４１４と各電気接続部４１５ａ〜４１５ｄ間の空隙は、０．２μｍ程度である。図１６では、ピエゾ抵抗素子１３、支持部４１４及び電気接続部４１５ａ〜４１５ｄの平面的な位置関係を全て実線で描いてある。

一方、ベース基板２０の表面２０ａには、図１７に示すように、センサ基板１０に設けた支持部４１４及び複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄに対応する平面形状及び平面位置で突出形成した支持部４２４及び複数の電気接続部４２５ａ〜４２５ｄと、各電気接続部４２５ａ〜４２５ｄから引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッド２６とを備えている。ベース基板２０側の支持部４２４及び複数の電気接続部４２５ａ〜４２５ｄは、アライメントを考慮して、センサ基板１０側の支持部４１４及び複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄよりも若干大きく形成されている。電極パッド２６は、複数の電気接続部４２５ａ〜４２５ｄに対応させて、隣り合う電極パッド同士が９０°異なる位相（互いに直交する位置関係）で４つ配置され、上下左右の四方向へ引き出される。

この第４実施形態においても支持部４１４、４２４の内周エッジαで囲まれた変位部１１に封止樹脂４３が浸入することなく、かつ、支持部４１４、４２４及び複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄ、４２５ａ〜４２５ｄが変位部１１の外周から基板周縁までのスペースを埋めている。よって、第２実施形態と同様に、接合したセンサ基板１０とベース基板２０の間に浸入する封止樹脂４３は第１実施形態よりも低減し、樹脂硬化時の残留応力によるセンサ特性の変動を抑えることができる。また第４実施形態では、支持部４１４、４２４及び複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄ、４２５ａ〜４２５ｄが図１５の仮想ラインＸ１、Ｘ２に関して対称になっている。仮想ラインＸ１、Ｘ２は、受圧部１２の中心と各ピエゾ抵抗素子１３の中心を結ぶ直線であって、基板中心（受圧部１２の中心位置）で直交している。この対称性を有することで、樹脂硬化時に残留応力が生じても、該残留応力はセンサ基板１０及びベース基板２０において上下左右対称に加わるので、センサ特性への影響を軽減できる。支持部４１４、４２４及び複数の電気接続部４１５ａ〜４１５ｄ、４２５ａ〜４２５ｄ以外の構成は第１実施形態と同様である。

本願発明は、モバイル機器のタッチパネルやコントローラ等のユーザーインターフェースに搭載される荷重測定用のフォースセンサ及びその製造方法に適用可能である。

１、２、３、４ フォースセンサ
１０ センサ基板
１０ａ 表面
１０ｂ 裏面
１１ 変位部
１２ 受圧部
１３ ピエゾ抵抗素子（歪検出素子）
１４ 支持部
１４ａ 下地層
１４ｂ 金属接合層
１５ 電気接続部
１５ａ 下地層
１５ｂ 金属接合層
１６ 回路配線部
１７ 絶縁膜
２０ ベース基板
２０ａ 表面
２４ 支持部
２４ａ 下地層
２４ｂ 金属接合層
２５ 電気接続部
２５ａ 下地層
２５ｂ 金属接合層
２６ 電極パッド
２６ａ 下地層
２６ｂ 金属接合層
２６ｃ メッキ金属層
４０ パッケージ基板
４１ ボンディングワイヤー
４２ 電極パッド
４３ 封止樹脂
２１５ａ〜２１５ｄ 電気接続部
２２５ａ〜２２５ｄ 電気接続部
３１５、３２５ 電気接続支持部
４１４、４２４ 支持部
４１５ａ〜４１５ｄ 電気接続部
４２５ａ〜４２５ｄ 電気接続部
α 内周エッジ

Claims (10)

1. 受圧部を介して外部からの荷重を受けたときに変位部が変位し、該変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子を備えたセンサ基板を、ベース基板に接合してなり、
   前記センサ基板は、前記受圧部とは反対側の前記複数のピエゾ抵抗素子を形成した面に、少なくとも一部が前記複数のピエゾ抵抗素子と平面的に重複するように位置して前記変位部を変位自在に支持するセンサ側支持部と、このセンサ側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数のセンサ側電気接続部とを設け、かつ、前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内周エッジを有する平面形状で設け、前記複数のセンサ側電気接続部は、前記センサ側支持部の外周を囲むように前記センサ基板の周縁に沿わせて設け、前記受圧部と前記複数のピエゾ抵抗素子を各々中心で結ぶ仮想ラインから外れた位置で分割されていること、及び
   前記ベース基板には、前記センサ基板との接合面側に、前記センサ側支持部に接合するベース側支持部と、このベース側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のセンサ側電気接続部に接合する複数のベース側電気接続部と、各ベース側電気接続部から引き出した電気配線の端部に外部接続可能に形成した複数の電極パッドとを設けたこと、
   を特徴とするフォースセンサ。
2. 請求項１記載のフォースセンサにおいて、前記センサ側支持部と前記複数のセンサ側電気接続部のいずれか一つを兼用させたフォースセンサ。
3. 請求項１記載のフォースセンサにおいて、前記複数のセンサ側電気接続部は、平面矩形状をなすセンサ基板の角部にそれぞれ設け、前記センサ側支持部は、前記変位部の平面中心に関して対称に設けたフォースセンサ。
4. 請求項３記載のフォースセンサにおいて、前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内周エッジを有し、前記センサ基板の角部を除いて前記センサ基板の周縁に沿う平面形状で設けられているフォースセンサ。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記ベース側支持部は、前記センサ側支持部の内周エッジに対応する閉じた内周エッジを有する平面形状で設け、このセンサ側支持部とベース側支持部の接合により前記内周エッジで囲まれた空間を封止したフォースセンサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記センサ側支持部の内周エッジは、前記各ピエゾ抵抗素子の中心から±１０μｍ以内の距離範囲に位置させたフォースセンサ。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記センサ側支持部と前記ベース側支持部及び前記センサ側電気接続部と前記ベース側電気接続部は、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる膜厚３００ｎｍ以下の金属接合層を介して接合しているフォースセンサ。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載のフォースセンサにおいて、前記ベース基板を接着固定し、かつ、ワイヤーボンディングにより該ベース基板の複数の電極パッドと電気的に接続した複数の電極パッドと該各電極パッドに電気的に接続した複数の外部実装端子とを有するパッケージと、このパッケージ上の前記ベース基板及び前記センサ基板の周囲を固定する封止樹脂とを備えたフォースセンサ。
9. 変位部を有するセンサ基板の表裏面の一方に、該変位部の変位量に応じて電気抵抗が変化する複数のピエゾ抵抗素子と、この複数のピエゾ抵抗素子と少なくとも一部が平面的に重複する位置で前記変位部を変位自在に支持するセンサ側支持部と、このセンサ側支持部よりも基板周縁に位置して前記複数のピエゾ抵抗素子とそれぞれ電気的に接続した複数のセンサ側電気接続部とを有するセンサ構造部を多数形成する工程と、
   前記センサ基板の表裏面の他方に、各センサ構造部の変位部に外部からの荷重を与える受圧部を多数形成する工程と、
   前記複数のセンサ側電気接続部は、前記センサ側支持部の外周を囲むように前記センサ基板の周縁に沿い、前記受圧部と前記複数のピエゾ抵抗素子を各々中心で結ぶ仮想ラインから外れた位置で分割されるように設け、前記センサ側支持部は、前記変位部の全周を囲む閉じた内側エッジを有する平面形状で設けて、多数形成する工程と、
   ベース基板の表裏面の一方に、前記複数のセンサ側電気接続部に対応する複数のベース側電気接続部と、各ベース側電気接続部から引き出した電気配線の端部にワイヤーボンディング可能に形成した複数の電極パッドと、前記複数のベース側電気接続部で囲まれた領域に位置させた前記センサ側支持部に対応するベース側支持部とを有するベース構造部を多数形成する工程と、
   常温から２５０℃未満の雰囲気において前記センサ基板と前記ベース基板を圧着し、前記複数のセンサ側電気接続部とベース側電気接続部かつ前記センサ側支持部と前記ベース側支持部を同時に接合する工程と、
   前記センサ基板及び前記ベース基板を一対のセンサ構造部とベース構造部からなるチップ単位で切断する工程と、
   を有することを特徴とするフォースセンサの製造方法。
10. 請求項９記載のフォースセンサの製造方法において、前記複数のセンサ側電気接続部と前記複数のベース側電気接続部かつ前記センサ側支持部と前記ベース側支持部にはＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔａ、Ｆｅ、Ａｕのいずれかまたは２つ以上を含む合金または２層以上の積層膜からなる金属接合層を３００ｎｍ以下の膜厚で形成しておき、この金属接合層を介して、該複数のセンサ側電気接続部とベース側電気接続部かつセンサ側支持部とベース側支持部接合するフォースセンサの製造方法。

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