JP2011119723A

JP2011119723A - センサパッケージ

Info

Publication number: JP2011119723A
Application number: JP2010260623A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Sanagawa; 佳治佐名川; Toshihiko Takahata; 利彦高畑
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2010-11-22
Filing date: 2010-11-22
Publication date: 2011-06-16

Abstract

【課題】センサパッケージにおいて、小型化、優れたセンサ特性、及び安定した特性維持の実現を図る。
【解決手段】センサパッケージ１は、センサ素子１１と、センサ素子１１を内部に実装するように底面及び四周側面を備えてなる箱状基板１２と、箱状基板１２内部に実装したセンサ素子１１からの電気信号を処理する集積回路チップ１３と、を備えている。集積回路チップ１３は、箱状基板１２の上部開口を覆うように箱状基板１２に実装されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、センサ素子を実装してモジュール化したセンサパッケージに関する。

従来から、半導体の微細加工技術を応用したセンサ素子（半導体センサ）を実装基板に実装してモジュール化したセンサパッケージがあり、加速度センサや圧力センサなどとして用いられている。図１１を参照して、従来のセンサパッケージの例を説明する。このセンサパッケージは、例えば、加速度検出用のものである。これは、厚み方向に変位する重錘体（不図示）が形成されたセンサ素子９１、及び、センサ素子９１からの信号を受け取って処理する集積回路チップ９２を、それぞれ実装基板９３の凹部底面に実装し、凹部開口を板状封止部材９４で封止して形成されている。センサ素子９１、集積回路チップ９２、及び実装基板９３の間はボンディングワイヤＷを用いて電気的に接続されている。

一般に、これらのセンサパッケージにおいて、小型化、低コスト化、優れたセンサ特性と安定した特性の維持などが求められる。そこで、例えば、パッケージの底面が小さくなるようにセンサ素子と信号処理用の集積回路チップをハウジング（立体基板）内で上下に配置し、立体基板にワイヤボンディングにより実装して小型化を図る圧力センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１３０７４９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に示されるようなセンサパッケージにおいては、集積回路チップがワイヤボンディングにより実装されるので、集積回路チップの外形にワイヤボンディングに必要な領域を加えた面積が最小面積となる。従って、センサパッケージをこれよりも小さくできないという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、小型化と共に、優れたセンサ特性と安定した特性維持を実現できるセンサパッケージを提供することを目的とする。

上記課題を達成するために、本発明のセンサパッケージは、底面及び四周側面を備えてなる箱状基板と、箱状基板内部に実装したセンサ素子と、センサ素子からの電気信号を処理する集積回路チップと、を備えたセンサパッケージであって、集積回路チップは、箱状基板の上部開口を覆うように箱状基板に実装してなることを特徴とする。

このセンサパッケージにおいて、センサ素子を線状又は点状に配置した支持部により支持してセンサ素子が自由端を有する状態で箱状基板に実装することが好ましい。

このセンサパッケージにおいて、センサ素子の自由端の部分を低弾性部材で支えるようにすることが好ましい。

また、センサパッケージにおいて、センサ素子の自由端の部分をスペーサで支えるようにしてもよい。

このセンサパッケージにおいて、スペーサをセンサ素子の実装に際して所定の高さに変形可能な部材で構成することが好ましい。

本発明のセンサパッケージによれば、箱状基板内部にセンサ素子を実装し、集積回路チップをスタック構造に実装するので、センサパッケージの小型化が可能となる。また、箱状基板をその内部及び／又は表面に配線が形成されたいわゆる立体回路基板とすることにより、この箱状基板と集積回路チップをバンプによって相互に電気接続でき、ワイヤボンディングによる電気接続に比してセンサパッケージを小型化できる。また、本発明によれば、箱状基板の上面全体を覆う場合に比して集積回路チップを小型化できるので、集積回路チップを低コスト化ができる。

（ａ）は本発明の前提となる第１形態に係るセンサパッケージの分解斜視図、（ｂ）は同センサパッケージの回路基板を外した状態の斜視図、（ｃ）は同センサパッケージの斜視図。同上センサパッケージの断面図。本発明の前提となる第２形態に係るセンサパッケージの断面図。（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサパッケージの分解斜視図、（ｂ）は同センサパッケージの斜視図。（ａ）は図４（ｂ）におけるＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図４（ｂ）におけるＢ−Ｂ線断面図。本発明の前提となる第３形態に係るセンサパッケージの断面図。本発明の第２の実施形態に係るセンサパッケージの断面図。（ａ）〜（ｆ）は同上第２の実施形態に係るセンサパッケージにおけるセンサ素子の実装方法の違いによる変形例を模式的に説明するセンサ素子の下面平面図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るセンサパッケージの断面図、（ｂ）は同センサパッケージのセンサ素子の実装状態を模式的に説明するセンサ素子の下面平面図。（ａ）は本発明の第４の実施形態に係るセンサパッケージの断面図、（ｂ）は同センサパッケージのセンサ素子の実装状態を模式的に説明するセンサ素子の下面平面図。従来のセンサパッケージの断面図。

以下、本発明の実施形態に係るセンサパッケージについて、図面を参照して説明する。

（前提となる第１形態）
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）、図２は、本発明の前提となる第１形態に係るセンサパッケージ１を示す。センサパッケージ１は、センサ素子１１と、センサ素子１１を内部に実装するように底面及び四周側面を備えてなる箱状基板１２と、箱状基板１２内部に実装したセンサ素子１１からの信号を受ける集積回路チップ１３と、を備えている。集積回路チップ１３は、箱状基板１２の上部開口を覆うように箱状基板１２に実装されている。

センサ素子１１は、例えば、シリコン基板をＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術を用いて微細加工して形成される。そして、センサ素子１１は、例えば、内部に重錘体を備えることにより、重錘体に作用する慣性力による重錘体の変位を静電容量や電気抵抗の変化により電気的に検出して、加速度を検出する加速度センサとすることができる。センサ素子１１は、バンプ２１を備えており、バンプ２１を用いて箱状基板１２の底面にフリップ実装されている。センサ素子１１の実装には、ＮＣＰ（ＮｏｎＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＰａｓｔｅ）法、Ａｕ／Ａｕ接合、接合後の樹脂後入れ（アンダーフィル）などの方法を用いることができる。

箱状基板１２は、例えば、その表面や必要に応じて内部に配線を有する立体回路基板であり、例えば、シリコン、セラミックス、樹脂等で形成される。樹脂製の場合、特にＭＩＤ（ＭｏｌｄｅｄＩｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔＤｅｖｉｃｅ）基板が好適に用いられる。また、一般的な基板材料であるＦＲ−４からなる有機基板を用いても形成される。図２に示す箱状基板１２は、その表面に配線パターン１２ａを備えている。配線パターン１２ａは、箱内底面においてバンプ２１を介してセンサ素子１１と電気接続され、センサ素子１１からの電気信号は、箱内側壁を経由して箱状基板１２の上面において、バンプ２２を介して集積回路チップ１３に授受される。また、集積回路チップ１３の入出力は、箱状基板１２の外部側壁から外部底面に至る配線パターン１２ａによって、センサパッケージ１の外部へと接続される。すなわち、センサパッケージ１は、箱状基板１２の外部底面における配線パターン１２ａによって、はんだ等を用いて、外部の実装基板に実装される。

集積回路チップ１３は、シリコン基板の表面に半導体集積回路を形成したチップであり、その外形は、箱状基板１２の外形と略同一となっている。集積回路チップ１３は、上述したように、バンプ２２を介して、箱状基板１２にフリップチップ接合されている。バンプ２２は、例えば、Ａｕバンプであり、箱状基板１２の電極（不図示）に、超音波接合、熱圧着接合、常温表面活性化接合等の方法を用いて接合される。

上述の構成によれば、箱状基板１２内部にセンサ素子１１を実装し、集積回路チップ１３をスタック構造に実装するので、センサパッケージ１の小型化が実現される。また、箱状基板１２を、立体回路基板とし、この箱状基板１２と集積回路チップ１３とをバンプ２２によって相互に電気接続できるので、ワイヤボンディングによる電気接続に比してセンサパッケージ１を小型化できる。

（前提となる第２形態）
図３は、本発明の前提となる第２形態に係るセンサパッケージ１を示す。このセンサパッケージ１は、センサ素子１１を、バンプではなくボンディングワイヤＷを用いて、箱状基板１２の底面にワイヤボンディング実装している点が、上述の第１形態と異なり、他の点は第１形態と同様である。ワイヤボンディング実装では、ボンディングパッド用の面積が箱状基板１２の内部底面に必要であり、バンプを用いる実装の場合よりも、センサパッケージが大きくなる。しかしながら、実績のあるワイヤボンディングによれば容易確実に実装できる。

（第１の実施形態）
図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係るセンサパッケージ１を示す。このセンサパッケージ１は、箱状基板１２の上部開口を形成する四周側面１２ｂ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｃのうち、対向する側面からなる一対の側面１２ｃ，１２ｃを他の一対の側面１２ｂ，１２ｂよりも落とし込ませている。そして、センサパッケージ１は、その落とし込んだ側面の上面間に集積回路チップ１３を橋渡しして実装している。その他の点は、上述の第１形態におけるセンサパッケージ１と同様である。従って、この集積回路チップ１３は、上述の第１形態における集積回路チップ１３のように箱状基板１２の上面開口を全面で覆う場合よりも、小さくなっている。つまり、集積回路チップ１３は、箱状基板１２の底面積よりも小さくなっているので、集積回路チップ１３の低コスト化が図れることになる。

（前提となる第３形態）
図６は本発明の前提となる第３形態に係るセンサパッケージ１を示す。このセンサパッケージ１は、図２に示した第１形態におけるセンサパッケージ１において、集積回路チップ１３と箱状基板１２との間に、封止材３１を注入して箱状基板１２内部を密閉状態としたものである。封止材３１としては、例えば、エポキシ樹脂からなる絶縁材料を用いることができる。密閉封止は、集積回路チップ１３を実装するときに、全周に封止樹脂を塗布して行う。

また、この密閉封止を、所定ガス（ドライエアー、窒素、アルゴンガスなど）の雰囲気中で行うことにより、箱状基板１２の内部にこれらのガスを封入することができる。なお、封止材３１は、バンプ２２に対するアンダーフィルとしても機能し、これにより、接合信頼性の向上を図ることもできる。このようなセンサパッケージ１においては、センサ素子１１が外部環境の影響を受けにくくなるので、センサ素子１１を好条件で保持し、優れたセンサ特性と安定した特性を維持できる。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係るセンサパッケージ１を示し、図８（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施形態に係る種々の変形例をセンサ素子１１の実装状態によって示す。このセンサパッケージ１は、上述の第１の実施形態において、センサ素子１１を片持ち状態で箱状基板１２に実装したものであり、この他の点は第１の実施形態において示したものと同様である。すなわち、このセンサパッケージ１では、センサ素子１１を実装するバンプ２１が、センサ素子１１の底面内で局在している。また、バンプ２１の周辺には、やはり局所的にアンダーフィル用の、例えば、樹脂からなる接着部材３２が充填されている。従って、センサ素子１１は、局在したバンプ２１と接着部材３２とによって箱状基板１２の底面に接合された部分が固定端となり、他の部分が自由端となっている。

センサ素子１１を自由端を備えた状態で支持する方法としては、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、センサ素子１１の底面内のバンプ位置２１ａを線状として支持すると共に、そのまわりに接着部材位置３２ａを配置する方法を用いることができる。また、図８（ｄ）〜（ｆ）に示すように、センサ素子１１の底面内のバンプ位置２１ａを一ヶ所に集めて支持すると共に、そのまわりに接着部材位置３２ａを配置する方法などを用いることができる。これらの何れの場合においても、センサ素子１１は、線状又は点状に配置した支持部により、自由端を有するように、支持され、その支持部は、複数のバンプを集めて形成されている。

このような構造のセンサパッケージ１は、センサ素子１１が線状又は点状に配置した支持部により支持され、センサ素子１１が自由端を有する状態で実装されている。従って、この構造を備えることにより、箱状基板１２とセンサ素子１１の線膨張率の差によって発生する箱状基板１２からセンサ素子１１への熱応力の影響を緩和できる。また、同様に、実装時や使用時に発生する箱状基板１２の内外温度差によるセンサ素子１１への熱応力の影響を緩和できる。センサ素子の自由端が、このような線膨張率差や温度変化によるセンサ素子１１への応力負荷を低減し、センサ素子１１が好条件で保持され、その優れたセンサ特性と安定した特性が維持される。

（第３の実施形態）
図９（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係るセンサパッケージ１とセンサ素子１１の実装状態を示す。このセンサパッケージ１は、センサ素子１１を片持ち状態で実装すると共に、より安定に支持できるように、センサ素子１１の片持ち以外の部分を低弾性部材３３により、支えるものである。この図の例では、センサ素子１１の底面内で、バンプ位置２１ａと接着部材位置３２ａを１辺に沿った線状配置とし、低弾性部材位置３３ａを、センサ素子１１の底面内の他の３辺に沿った配置としている。

このセンサパッケージ１は、センサ素子１１の自由端の温度変化に基づく伸縮が可能な状態で、上下方向の振動や傾きなどを抑制できるので、センサ素子１１の性能を維持し、かつ劣化を防止できる。

（第４の実施形態）
図１０（ａ）（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係るセンサパッケージ１とセンサ素子１１の実装状態を示す。このセンサパッケージ１は、センサ素子１１の片持ち以外の部分をスペーサ２３で支えるようにしたものである。センサ素子１１の底面内で、バンプ位置２１ａにおけるバンプ２１と、バンプ位置２１ａから離れた２点のスペーサ位置２３ａにおけるスペーサ２３の、少なくとも３点により平面が決定され、センサ素子１１はこの平面内で安定して伸縮可能となる。スペーサ２３は箱状基板１２の底面に固定されている。

このセンサパッケージ１は、センサ素子１１の自由端の温度変化に基づく伸縮が可能な状態で振動変位などを抑制できる。センサパッケージ１は、さらに剛性を有するスペーサを複数、あるいは広い範囲で用いることにより、センサ素子の傾きをより確実に防止でき、センサ素子１１の性能を維持し、かつ劣化を防止できる。

また、上述のセンサパッケージ１において、スペーサ２３をセンサ素子１１の実装に際して所定の高さに変形可能な部材で構成して箱状基板１２の底面に備えることができる。これにより、センサ素子１１を実装する際に、スペーサ２３に所定の押圧力を加えることによってスペーサ２３の高さならしが可能となるので、スペーサ２３の精密な高さ管理が不要となり、実装作業効率が上がる。また、センサ素子１１の傾きや劣化を回避でき、優れた特性のセンサパッケージ１が得られる。

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。箱状基板１２の外形は正方形とは限らなく、例えば、長方形であってもよい。また、バンプ２１，２２は箱状基板１２に形成するようにしてもよい。箱状基板１２にバンプを設ける場合は、箱状基板１２としてのＭＩＤ基板における一体成形された突起を用いる、いわゆる成形バンプの方法を用いることができる。

１センサパッケージ
１１センサ素子
１２箱状基板
１３集積回路チップ
２３スペーサ
３１封止材
３３低弾性部材
１２ａ上部開口
１２ｂ，１２ｃ側面

Claims

底面及び四周側面を備えてなる箱状基板と、
前記箱状基板内部に実装したセンサ素子と、
前記センサ素子からの電気信号を処理する集積回路チップと、を備えたセンサパッケージであって、
前記集積回路チップは、前記箱状基板の上部開口を形成する四周側面のうち、対向する側面からなる一対の側面を他の一対の側面よりも落とし込み、その落とし込んだ側面の上面間に橋渡しして前記上部開口を覆うように当該箱状基板に実装してなることを特徴とするセンサパッケージ。
前記センサ素子を線状又は点状に配置した支持部により支持して当該センサ素子が自由端を有する状態で前記箱状基板に実装したことを特徴とする請求項１に記載のセンサパッケージ。
前記センサ素子の自由端の部分を低弾性部材で支えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のセンサパッケージ。
前記センサ素子の自由端の部分をスペーサで支えるようにしたことを特徴とする請求項２に記載のセンサパッケージ。
前記スペーサを前記センサ素子の実装に際して所定の高さに変形可能な部材で構成したことを特徴とする請求項４に記載のセンサパッケージ。