JP5463173B2 - 角速度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、角速度検出装置に係り、特に、センサ内部に存在する構造体の変位を検出する機能を有する角速度検出装置に好適なものである。
角速度検出装置は、角速度を電気信号に変換，検出する装置である。近年、圧力，加速度，角速度など、様々な物理量を検出する装置の開発が加速している。
例えば、角速度検出装置においては、振動型，回転型，ガス型，光学型の検出装置が開発されている。特に近年では、量産性の向上や小型化を目的に、シリコンの微細加工技術を用いた振動型，回転型角速度検出装置の開発が主流となっている。
振動型角速度検出装置は振動体を所定の共振周波数で振動させておき、外部からの角速度印加に伴う振動体の変位を、電気信号として検出する装置である。
このように、シリコンの微細加工技術を用いた装置は、各物理量を検出するための半導体素子が有している構造体の変位を検出するものが多い。そのため、外部から半導体素子に印加される応力などにも敏感に反応してしまう。特に、半導体素子を実装する際に発生する実装応力による半導体素子の変形は、測定誤差などの要因となり、センサ装置の信頼性を低下させてしまう。
したがって、シリコンの微細加工技術を用いた検出装置は、各物理量検出部、または、各物理量検出素子へ外力が印加しない実装構造とすることが必要不可欠である。また、このような検出装置を自動車に搭載する場合、エンジンルームなどの過酷な環境への搭載も可能とするため、高信頼性を有した実装構造とすることが必要不可欠である。
この検出装置をはじめ、半導体素子を用いた電子部品の実装構造として、例えば、特許文献１や特許文献２などに記載されている電子部品および、電子モジュールのような構造が知られている。特許文献１に記載の電子部品は、メタルコア基板に圧電素子、電子部品が実装され、メタルコア基板のコアメタルとはんだで接続された金属製キャップで覆われ、その内側に封止樹脂を充填した構成になっている。また、特許文献２に記載の電子モジュールは、多層基板上に電子部品が実装され、多層基板のグランド電極と電気的に接続された金属シールドで覆われ、その内側にエポキシ樹脂等によって封止された構成になっている。
しかしながら、特許文献１に記載の電子部品の構成では、金属製キャップの内側に封止樹脂を充填しているため、基板に実装した半導体素子への応力印加により、半導体素子が変形し、特に、シリコンの微細加工技術を用いた半導体素子を実装した場合は、測定誤差が発生するなど、信頼性の確保が困難である。また、特許文献２に記載の電子モジュールの構成では、多層基板上に電子部品を実装しているため、実装した電子部品に電磁波ノイズが印加されやすく、特に、半導体素子を実装した場合は、測定が不安定になるなど、信頼性の確保が困難である。
特開２００４−４７８９７号公報 特開２００９−３３１１４号公報
本発明の目的は、角速度を検出するための半導体素子へ印加する応力を低減しつつ、耐電磁波ノイズ性，耐湿性を向上した実装構造を有する、高信頼性角速度検出装置を提供することにある。
金属板を用いたコアメタル層と配線構造を備えた配線層とを有するメタルコア基板のコアメタル層上に固定された角速度を検出するための半導体素子を配線層に固定されたキャップと金属板を用いたコアメタル層とメタルコア基板とで構成される中空室内に配設し、これらを樹脂によりモールドするようにした。
本実施例によれば、角速度を検出するための半導体素子へ印加する応力を低減できるので、検出装置の測定誤差などを低減し、信頼性を確保することが可能となる。また、耐電磁波ノイズ性，耐湿性を向上することが可能な構造となり、高信頼性の角速度検出装置を提供することができる。
本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の実装構造を示す模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の基板搭載構造を示す模式図である。 本発明による角速度検出装置の自動車搭載構造を示す模式図である。 本発明による角速度検出装置の基板搭載構造を示す模式図である。 本発明による角速度検出装置の断面構造を示す断面模式図である。 本発明による角速度検出装置の基板搭載構造を示す模式図である。 本発明による角速度検出装置の製造プロセスを示す断面模式図である。
以下に、実施例をあげて説明する。
まず、実施例１における角速度検出装置の構成および、製造プロセスについて説明する。
図１および、図２は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。
図１に示すように、本発明による角速度検出装置１５は、例えば厚さ０.５mmの金属板を用いたコアメタル層１と配線構造を備えた多層構造の配線層１８からなるメタルコア基板２，角速度を検出するための半導体素子３，半導体素子３と配線層１８を電気的に接続するボンディングワイヤ２１，配線層１８に固定されたキャップ４，角速度を検出するための半導体素子３の信号を取り出すためのリード端子１３，全体をモールドするための樹脂で構成されている。
本発明による角速度検出装置１５は、例えば厚さ０.５mmの金属板などを用いた金属製のコアメタル層１と配線層１８からなるメタルコア基板２の配線層１８にキャビティを設けることにより、コアメタル層１を露出させ、露出したコアメタル層１に、角速度を検出するための半導体素子３を接着剤２０にて、ダイボンディングし、半導体素子３と配線層１８をボンディングワイヤ２１にて、電気的に接続する構造となっており、半導体素子３は、配線層１８よりも、高強度を有したコアメタル層１上に固定されているため、例えば、モールドによる曲げなど、半導体素子３へ印加する実装応力などを低減することが可能な構造になっている。
また、角速度を検出するための半導体素子３と同所に、加速度を検出するための半導体素子（図示しない）を備え、加速度を検出する機能を備えた構造としてもよい。
また、メタルコア基板２の配線層１８に接着剤２０にて、キャップ４を固定することにより、キャップ４とメタルコア基板２とで、中空室を構成し、その中空室内に半導体素子３を配設することにより、半導体素子３が、ほぼ全て金属で覆われ、外気にも触れない、高耐湿性を有した構造になっている。
また、キャップ４とメタルコア基板２とで構成した中空室内に、窒素ガス（図示しない）などの不活性ガスを充填することにより、さらに、高耐湿性を有した構造としてもよい。
また、キャップ４とメタルコア基板２とで構成した中空室内に、シリカゲル（図示しない）などの吸湿を目的としたゲッター材料を配設することにより、さらに、高耐湿性を有した構造としてもよい。
さらに、コアメタル層１にキャップ４を直接固定していないことから、実装応力などの外力を配線層１８とキャップ４が受けることにより、コアメタル層１上に固定された半導体素子３への外力印加を低減することが可能な構造となっている。このため、キャップ４とメタルコア基板２とで構成されている中空室の外側を樹脂５によりモールド封止することにより、半導体素子３への外力印加を低減しつつ、耐湿性をさらに向上した構造になっている。
なお、図２に示すように、樹脂５でモールド封止する範囲を、例えば、金属キャップ取り付け部のみとし、モールド封止する範囲を制限することにより、印加される曲げなどの実装応力が制限され、半導体素子３への応力印加をさらに低減する構造にしてもよい。
図３は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。
図３に示すように、本発明による角速度検出装置１５は、露出したコアメタル層１に、信号の増幅などを行うための信号処理素子９を接着剤２０にて、ダイボンディングし、信号処理素子９の裏面電位を安定させることにより、耐電磁波ノイズ性を向上し、半導体素子３および、配線層１８とボンディングワイヤ２１にて、電気的に接続することにより、半導体素子３からの信号を処理する手段を備えた構造となっている。
また、図４に示すように、露出したコアメタル層１に、信号処理素子９を接着剤２０にて、ダイボンディングし、その信号処理素子９の上に半導体素子３を積み重ねて接着剤２０にて固定する構造とし、信号処理素子９，半導体素子３および、配線層１８をそれぞれボンディングワイヤ２１にて、電気的に接続することにより、信号処理素子９の耐電磁波ノイズ性を向上しつつ、実装面積を低減可能な構造としてもよい。
また、図５に示すように、キャップ４とメタルコア基板２とで構成した中空室内に配設した半導体素子３および、信号処理素子９上にゲル１７をポッティングすることにより、さらに耐湿性を向上した構造としてもよい。
図６は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。図７は本発明による角速度検出装置のキャップ４，樹脂５，導電性接合材２２を除き、導体パターン７のみを透視図とした模式図である。
図６および、図７に示すように、本発明による角速度検出装置１５は、配線層１８の表面に、半導体素子３の周りを囲うように導体パターン７を設け、アルミ，４２アロイなどの金属材料を用いて作製したキャップ４を、はんだ，導電性接着剤などの導電性接合材２２にて、導体パターン７に接合し、その導体パターン７をメタルコア基板２に設けた、ビア配線６，パッド１０を通して、グランド側に接続することにより、半導体素子３をグランド側に接続された金属材料で囲まれるため、耐電磁波ノイズ性，耐湿性を向上した構造となっている。なお、パッド１０にリード端子１３を接続し、そのリード端子１３を用いてグランド側に接続してもよい。
また、メタルコア基板２のビア配線６，パッド１０を不要とするため、配線層１８の表面に、半導体素子３の周りを囲うようにキャビティを設け、コアメタル層１を露出させ、露出したコアメタル層１に、金属材料を用いて作製したキャップ４を、はんだ，導電性接着剤などの導電性接合材２２にて接合し、コアメタル層１をグランド側に接続することにより、半導体素子３をグランド側に接続された金属材料で囲み、耐電磁波ノイズ性，耐湿性を向上した構造としてもよい。しかし、このような構造とすると、キャビティで囲まれた部分の配線層１８が島パターンとなることから、多層構造であるメタルコア基板２の作製が非常に困難になる。
図８は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。
図８に示すように、本発明による角速度検出装置は、露出したコアメタル層１に、角速度を検出するための半導体素子３を接着剤２０にて、ダイボンディングし、半導体素子３と配線層１８表面に設けたパッド１０をボンディングワイヤ２１にて、電気的に接続し、メタルコア基板２が有するコアメタル層１に、少なくとも１ヶ所以上の貫通穴１６を空け、その貫通穴１６にビア配線６を通し、配線層１８表面に設けたパッド１０とメタルコア基板２内に設けた内部配線１１とメタルコア基板２の裏面に設けたパッド１０を電気的に接続することにより、メタルコア基板２の裏面に設けたパッド１０から半導体素子３の信号を取り出すことができる構造となっている。
図９は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。図１０，図１１，図１２は本発明による角速度検出装置の実装模式図である。
図９に示すように、本発明による角速度検出装置は、メタルコア基板２の裏面に設けたパッド１０にリード端子１３を接続し、そのリード端子１３から半導体素子３の出力を取り出すことができる構造となっている。そのため、図１０に示すように、そのリード端子１３をプリント基板などの実装基板１４に、はんだなどの導電性接合材２２を用いて接合し、熱応力などによる実装基板１４の変形やひずみなどの外力を導電性接合材２２とリード端子１３が受けることにより、角速度検出装置１５内の半導体素子３への外力印加を低減することが可能な構造となっている。
また、図１１に示すように、本発明による角速度検出装置を自動車に搭載する場合、エンジンルーム壁１２に備えられているコントロールユニット８内に、基板ホルダ２５によって固定されている実装基板１４に搭載することが多く、そのコントロールユニット８内の実装基板１４は、地面１９に対して垂直に立った状態で固定されていることが多い。しかし、本発明による角速度検出装置は、リード端子１３を折り曲げ、実装基板１４に、はんだなどの導電性接合材２２を用いて接合することにより、角速度検出装置１５の検出軸を変更することなく、コントロールユニット８内に搭載することが可能な構造となっている。
また、図１２に示すように、本発明による角速度検出装置を搭載する実装基板１４が、地面１９に対して斜めの状態で固定されている場合においても、リード端子１３を折り曲げ、実装基板１４に、はんだなどの導電性接合材２２を用いて接合することにより、角速度検出装置１５の検出軸を変更することなく、コントロールユニット８内に搭載することが可能な構造であり、搭載角度に自由度がある構造となっている。
さらに、プラスチックまたは、金属製のホルダ２３を実装基板１４および、角速度検出装置１５に接着剤２０にて、接着することにより、搭載角度のずれを防止可能な構造としてもよい。
図１３は本発明による角速度検出装置の断面模式図である。図１４は本発明による角速度検出装置の実装模式図である。
図１３に示すように、本発明による角速度検出装置は、メタルコア基板２の裏面に設けたパッド１０にはんだボール２４を接続し、そのはんだボール２４から半導体素子３の出力を取り出すことができる構造となっている。そのため、図１４に示すように、プリント基板などの実装基板１４に、そのはんだボール２４を用いて接合することにより、実装面積を低減することが可能な構造となっており、本発明による角速度検出装置を自動車の車室内やエンジンルーム内などの限られたスペースに搭載することも可能である。
図１５（ａ）から（ｄ）は、本発明による角速度検出装置の製造プロセスを示す断面模式図である。
本発明による角速度検出装置を製造する際、図１５（ａ）に示すように、まず、金属板を用いたコアメタル層１と配線構造を備えた多層構造の配線層１８からなるメタルコア基板２を準備し、メタルコア基板２の配線層１８に設けられたキャビティにより露出したコアメタル層１に、角速度を検出するための半導体素子３を接着剤２０にて、ダイボンディングする。なお、メタルコア基板２は、多数枚のメタルコア基板２が連なった基板シートにて準備してもよい。また、半導体素子３を、例えば、シリコン接着剤などの軟らかい接着剤２０にて、ダイボンディングすることにより、半導体素子３へ印加する実装応力などを低減してもよい。
次に、図１５（ｂ）に示すように、半導体素子３と配線層１８をボンディングワイヤ２１にて、電気的に接続する。
次に、図１５（ｃ）に示すように、メタルコア基板２の配線層１８に接着剤２０にて、キャップ４を固定することにより、キャップ４とメタルコア基板２とで、中空室を構成する。なお、中空室内に窒素ガス（図示しない）などの不活性ガスを充填する場合は、真空チャンバ内にて、一度、真空引きを実施後、ガスを充填した状態で、キャップ４を固定してもよい。
最後に、図１５（ｄ）に示すように、キャップ４とメタルコア基板２とで構成されている中空室の外側を樹脂５によりモールド封止する。
１ コアメタル層
２ メタルコア基板
３ 半導体素子
４ キャップ
５ 樹脂
６ ビア配線
７ 導体パターン
８ コントロールユニット
９ 信号処理素子
１０ パッド
１１ 内部配線
１２ エンジンルーム壁
１３ リード端子
１４ 実装基板
１５ 角速度検出装置
１６ 貫通穴
１７ ゲル
１８ 配線層
１９ 地面
２０ 接着剤
２１ ボンディングワイヤ
２２ 導電性接合材
２３ ホルダ
２４ はんだボール
２５ 基板ホルダ

Claims (11)

  1. コアメタル層と配線層とを有するメタルコア基板と、
    角速度を検出するための半導体素子と、
    前記配線層上に設けられる金属製のキャップと、
    前記配線層の表面に設けられ、グランド側に接続される導体と、
    前記キャップと前記メタルコア基板とで形成される中空室と、
    前記中空室の外側をモールドする樹脂と、を備え、
    前記配線層は、前記中空室内に前記コアメタル層の一部を露出するキャビティを有し、
    前記キャビティにより露出されるコアメタル層上に前記半導体素子を固定し、
    前記キャップは、前記導体と導電性接続材料で接続されることを特徴とする角速度検出装置。
  2. コアメタル層と配線層とを有するメタルコア基板と、
    角速度を検出するための半導体素子と、
    前記半導体素子からの信号を処理する処理手段と、
    前記配線層上に設けられる金属製のキャップと、
    前記配線層の表面に設けられ、グランド側に接続される導体と、
    前記キャップと前記メタルコア基板とで形成される中空室と、
    前記中空室の外側をモールドする樹脂と、を備え、
    前記配線層は、前記中空室内に前記コアメタル層の一部を露出するキャビティを有し、
    前記キャビティにより露出されるコアメタル層上に信号処理素子を固定し、
    前記処理手段上に前記半導体素子を固定し、
    前記キャップは、前記導体と導電性接続材料で接続されることを特徴とする角速度検出装置。
  3. 請求項１に記載の角速度検出装置において、
    前記キャビティにより露出されるコアメタル層上に、前記半導体素子からの信号を処理する処理手段を備えたことを特徴とする角速度検出装置。
  4. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記導体は半導体素子を囲うように設けられていることを特徴とする角速度検出素子。
  5. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記中空室内を不活性ガス雰囲気にすることを特徴とする角速度検出素子。
  6. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記半導体素子を吸湿性のゲルで覆ったことを特徴とする角速度検出装置。
  7. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記キャップと前記メタルコア基板の接合部のみを樹脂で覆ったことを特徴とする角速度検出装置。
  8. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記コアメタル層に１ヶ所以上設けられた貫通穴内にビア配線が設けられ、前記メタルコア基板の裏面側に設けたパッドから前記半導体素子の信号を取り出すことを特徴とする角速度検出装置。
  9. 請求項１または２に記載の角速度検出装置において、
    前記パッドに接合されたリード端子から前記半導体素子の信号を取り出すことを特徴とする角速度検出装置。
  10. 請求項９に記載の角速度検出装置において、
    前記パッドに形成されたはんだボールから前記半導体素子の信号を取り出すことを特徴とする角速度検出装置。
  11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の角速度検出装置において、
    前記中空室内に加速度を検出する為の加速度検出素子を備えたことを特徴とする角速度検出装置。
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