JP2009294152A - 容量センサパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂によりパッケージングを行っても正確に物理量を検出することが可能な容量センサパッケージを提供すること。
【解決手段】本発明の容量センサパッケージは、一対の主面及び通気穴１１ａを有する配線基板１１と、前記配線基板１１の一方の主面上に実装されており、ダイヤフラム１２ａ及び固定電極を有し、前記ダイヤフラム１２ａと前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサ１２と、前記配線基板１１の前記一方の主面１１ｂ上で前記通気穴１１ａを閉塞せずに前記容量センサ１２を封止する封止部材１７と、を具備し、前記容量センサ１２は、前記通気穴１１ａを介して導入される外気でダイヤフラム１２ａが可動する位置に実装されていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量を用いて圧力などの物理量を検出する容量センサのパッケージに関する。

圧力などの物理量を検出するセンサとして、例えば容量センサがある。この容量センサは、固定電極と、ダイヤフラムなどの可動電極とで構成され、固定電極と可動電極との間の静電容量の変化を検出することにより、物理量を求めることができる。

このような容量センサは、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）のような電子機器に搭載されるようになってきており、電子素子としてパッケージ化される。パッケージング化された容量センサの例として、特許文献１に開示されているものがある。この容量センサパッケージは、図６に示すように、基板６１上に容量センサ６２が実装されており、容量センサ６２の可動電極であるダイヤフラム６２ａ以外の領域が樹脂６３によりモールドされて構成されている。
登録実用新案第３１２８１５８号公報

しかしながら、図６に示す容量センサパッケージにおいては、容量センサ６２のダイヤフラム６２ａ以外の領域に樹脂６３を被覆しているが、樹脂封止の際にアライメントずれなどが起こると、ダイヤフラム６２ａに樹脂６３が流れ出してしまい、ダイヤフラム６２ａが正常に可動できなくなり、正確に物理量を検出することができない。また、図６に示す構成においては、ダイヤフラム６２ａは非常に薄いので、機械的強度がとれないという問題もある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、樹脂によりパッケージングを行っても正確に物理量を検出することが可能な容量センサパッケージを提供することを目的とする。

本発明の容量センサパッケージは、一対の主面及び通気穴を有する配線基板と、前記配線基板の一方の主面上に実装されており、可動電極及び固定電極を有し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサと、前記配線基板の前記一方の主面上で前記通気穴を閉塞せずに前記容量センサを封止する封止部材と、を具備し、前記容量センサは、前記通気穴を介して導入される外気で前記可動電極が可動する位置に実装されていることを特徴とする。

この構成によれば、通気穴を有する配線基板上に、可動電極を下にし、固定電極を上にした状態で容量センサを実装しているので、容量センサを封止部材で被覆しても、封止部材を構成する封止樹脂は、第３シリコン層と接触するが、可動電極領域には接触しない。このため、可動電極に対して封止樹脂の影響は全くないことになり、従来のように容量センサを封止樹脂で封止する場合に、可動電極に封止樹脂が流れ出して、そのために正確に物理量を検出できなくなることはなく、正確に物理量を検出することが可能となる。

本発明の容量センサパッケージにおいては、前記容量センサは、前記可動電極を構成する第１シリコン層と、前記配線基板の一方の主面上に実装される第２シリコン層と、前記第１シリコン層及び前記第２シリコン層の間に介在する一定厚の絶縁層と、から構成されることが好ましい。

この構成によれば、第２シリコン層のエッチングストッパとして絶縁層が機能するので、第２シリコン層のエッチングの際に第１シリコン層がエッチングされることがなく、第１シリコン層の厚さを可動電極領域全体にわたって正確に確保することができる。これにより、正確に物理量の検出を行うことが可能となる。

本発明の容量センサパッケージにおいては、前記第２シリコン層は、前記配線基板の温度変化による膨張・収縮を吸収するために十分な厚さを持つことが好ましい。

本発明の容量センサパッケージにおいては、前記容量センサは、前記固定電極を構成する第３シリコン層と、前記可動電極を構成する第１シリコン層と、前記第１シリコン層、前記第３シリコン層、及び前記可動電極と前記固定電極との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜で囲まれるキャビティ領域と、を有することが好ましい。

この構成において、シリコン基板の熱酸化膜の厚さは、可動電極と固定電極との間のギャップに相当する。この可動電極と固定電極との間のギャップは、センサ感度に大きく影響する。シリコン基板の熱酸化膜の厚さは、１ｎｍ単位で膜厚制御することが可能であるので、このような構成を採ることにより、可動電極と固定電極との間のギャップの精度を高めることができ、結果として、センサの検出精度を高くすることが可能となる。

本発明の容量センサパッケージは、一対の主面及び通気穴を有する配線基板と、前記配線基板の一方の主面上に実装されており、可動電極及び固定電極を有し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサと、前記配線基板の前記一方の主面上で前記通気穴を閉塞せずに前記容量センサを封止する封止部材と、を具備し、前記容量センサは、前記通気穴を介して導入される外気で前記可動電極が可動する位置に実装されているので、樹脂によりパッケージングを行っても正確に物理量を検出することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る容量センサパッケージを示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。図１に示す容量センサパッケージは、配線基板１１を有する。この配線基板１１としては、ガラスエポキシやセラミックスで構成されたプリント配線板などが挙げられる。この配線基板１１には、外気を通過させるための通気穴１１ａが設けられている。この通気穴１１ａの大きさは、容量センサのサイズによるが、後述する容量センサのダイヤフラムが物理量検出用の可動に十分な外気を通過させることができる大きさであれば特に制限されない。また、配線基板１１の一対の主面のうちの一方の主面１１ｂ上には、容量センサの電極と電気的に接続するための導電性のランド１３が設けられている。

配線基板１１の一方の主面１１ｂ上には、可動電極及び固定電極を有し、この可動電極と固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサ１２がダイボンド材１４によりダイボンド（実装）されている。

容量センサ１２は、可動電極であるダイヤフラム１２ａを構成する第１シリコン層１２ｂ、配線基板１１の一方の主面上に実装される第２シリコン層１２ｃ、並びに第１シリコン層１２ｂ及び第２シリコン層１２ｃの間に介在する一定厚の絶縁層１２ｄから構成されるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板と、固定電極を構成する第３シリコン層１２ｅ、並びに前記第１シリコン層１２ｂと第３シリコン層１２ｅとの間に位置するように第３シリコン層１２ｅ上に設けられており、ダイヤフラム１２ａと固定電極（第３シリコン層１２ｅ）との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜１２ｆから構成されるシリコン基板と、を接合することにより構成されている。

容量センサ１２において、ＳＯＩ基板の第２シリコン層１２ｃの一方の面は、ダイボンド材１４を介して配線基板１１上に実装されており、ダイヤフラム１２ａに対応する領域に開口部を有し、配線基板１１の通気穴１１ａからの外気をその開口部で通過させるようになっている。第２シリコン層１２ｃは、配線基板１１の温度変化による膨張・収縮を吸収するために十分な厚さを持つことが好ましい。例えば、配線基板１１がガラスエポキシで構成されている場合には、第２シリコン層１２ｃは、２００μｍ〜５００μｍの厚さを有することが好ましい。

また、容量センサ１２において、第２シリコン層１２ｃの他方の面上には絶縁層１２ｄを介して第１シリコン層１２ｂが設けられている。第１シリコン層１２ｂは、その周縁部が第２シリコン層１２ｃ上に絶縁層１２ｄを介して設けられており、その中央部は何も支持されておらず可動状態となる。この可動状態の領域がダイヤフラム１２ａとして機能する。したがって、ダイヤフラム１２ａは、配線基板１１の通気穴１１ａ及び第２シリコン層１２ｃの開口部を介して外気が直接接触する状態となっており、外気により変位可能となっている。なお、第１シリコン層１２ｂの厚さは、１０μｍ〜５０μｍであることが好ましく、絶縁層１２ｄの厚さは、１．０μｍ〜２．０μｍであることが好ましい。

このダイヤフラム１２ａは、ＳＯＩ基板を加工して形成されるので、すなわち、第２シリコン層１２ｃのエッチングストッパとして絶縁層１２ｄが機能するので、第２シリコン層１２ｃのエッチングの際に第１シリコン層１２ｂがエッチングされることがなく、第１シリコン層１２ｂの厚さをダイヤフラム１２ａ領域全体にわたって正確に確保することができる。これにより、正確に物理量の検出を行うことが可能となる。

また、ＳＯＩ基板の第１シリコン層１２ｂ（絶縁層１２ｄと反対側の面）上には、第３シリコン層（シリコン基板）１２ｅの表面の熱酸化膜１２ｆが接合されている。この第３シリコン層１２ｅが固定電極を構成する。第１シリコン層１２ｂと、第３シリコン層１２ｅと、可動電極と固定電極との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜１２ｆとで囲まれた領域がキャビティ領域１８である。また、第１シリコン層１２ｂ上には、可動電極側の電極１５ａが形成されている。この電極１５ａとランド１３とは、ワイヤ１６を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。さらに、第３シリコン層１２ｅ（熱酸化膜１２ｆと反対側の面）上には、固定電極側の電極１５ｂが形成されている。この電極１５ｂとランド１３とは、ワイヤ１６を用いたワイヤボンディングにより電気的に接続されている。なお、電極１５ａ，１５ｂの材料としては、アルミニウム、金などの通常の電極材料を用いることができる。

シリコン基板の熱酸化膜１２ｆの厚さは、可動電極であるダイヤフラム１２ａと固定電極である第３シリコン層１２ｅとの間のギャップに相当する。この可動電極と固定電極との間のギャップは、センサ感度に大きく影響する。シリコン基板の熱酸化膜１２ｆの厚さは、１ｎｍ単位で膜厚制御することが可能であるので、このような構成を採ることにより、可動電極と固定電極との間のギャップの精度を高めることができ、結果として、センサの検出精度を高くすることが可能となる。なお、第３シリコン層１２ｅの厚さは、１５０μｍ〜５００μｍであることが好ましく、熱酸化膜１２ｆの厚さは、０．５μｍ〜１．５μｍであることが好ましい。

配線基板１１の一方の主面１１ａ上には、通気穴１１ａを閉塞しないように容量センサ１２が封止部材１７により封止されている。封止部材１７の材料としては、通常の封止材料である、エポキシ樹脂などを用いることができる。

このような構成の容量センサパッケージにおいて、物理量、例えば圧力を検出する場合、容量センサパッケージに圧力が加わると、配線基板１１の通気穴１１ａを介して外気がダイヤフラム１２ａを押圧する。ダイヤフラム１２ａを押圧すると、ダイヤフラム１２ａが変位して、第３シリコン層１２ｅとの間の距離が変わり、その距離の変化による静電容量の変化を容量差として検出することができ、その静電容量変化で圧力を測定することができる。

図１に示す構成を有する容量センサパッケージにおいては、容量センサ１２は、配線基板１１の通気穴１１ａを介して導入される外気で可動電極であるダイヤフラム１２ａが可動する位置に実装されている。すなわち、通気穴１１ａを有する配線基板１１上に、ダイヤフラム１２ａ（可動電極）を下にし、第３シリコン層１２ｅ（固定電極）を上にした状態で容量センサを実装しているので、容量センサ１２を封止部材１７で被覆しても、封止部材１７を構成する封止樹脂は、第３シリコン層１２ｅと接触するが、ダイヤフラム１２ａ領域には接触しない。このため、ダイヤフラム１２ａに対して封止樹脂の影響は全くないことになり、従来のように容量センサを封止樹脂で封止する場合に、ダイヤフラム１２ａに封止樹脂が流れ出して、そのために正確に物理量を検出できなくなることはなく、正確に物理量を検出することが可能となる。また、この構成によれば、樹脂封止を用いることができるので、低コストでパッケージング化を図ることができる。

次に、上記構成を有する容量センサパッケージの製造方法の一例について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ），（ｂ）、図４（ａ），（ｂ）、図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。

図２（ａ）に示すように、第２シリコン層１２ｃ上に絶縁層１２ｄを介して第１シリコン層１２ｂを有するＳＯＩ基板の第１シリコン層１２ｂ上に可動電極用の電極１５ａを形成する。すなわち、第２シリコン層１２ｃ上にスパッタリングにより電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより電極１５ａを形成する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、第２シリコン層１２ｃを異方性エッチングして、配線基板１１の通気穴１１ａと連通する開口部２１を形成する。このとき、絶縁層１２ｄが第２シリコン層１２ｃのエッチングストッパの役割を果たすので、第１シリコン層１２ｂはエッチングされない。次いで、図２（ｃ）に示すように、絶縁層１２ｄを等方性エッチングして開口部２１の絶縁層１２ｄを除去してダイヤフラム１２ａを形成する。

次いで、シリコン基板（第３シリコン層１２ｅ）の一方の主面を熱酸化して熱酸化膜１２ｆを形成し、図３（ａ）に示すように、第３シリコン層１２ｅの他方の主面上に固定電極用の電極１５ｂを形成する。すなわち、第３シリコン層１２ｅの他方の主面上にスパッタリングにより電極材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより電極１５ｂを形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、熱酸化膜１２ｆを等方性エッチングしてダイヤフラム１２ａに対応する領域以外に熱酸化膜１２ｆが残存するように熱酸化膜１２ｆを除去する。

次いで、図４（ａ）に示すように、第１シリコン層１２ｂ上に熱酸化膜１２ｆが当接するようにしてＳＯＩ基板とシリコン基板とを接合する。接合方法としては、プラズマ活性法や常温法などの通常の基板接合方法を用いることができる。なお、ＳＯＩ基板とシリコン基板との接合は、ウエハスケールで行うことが好ましい。次いで、図４（ｂ）に示すように、可動電極用の電極１５ａが露出するように、第３シリコン層１２ｅを異方性エッチングにより除去する。このようにして容量センサを作製する。

次いで、図５（ａ）に示すように、予め通気穴１１ａを設けた配線基板１１上に、通気穴１１ａを介して導入される外気でダイヤフラム１２ａが可動する位置に容量センサ１２を、ダイボンド材を用いてダイボンドし、電極１５ａ，１５ｂとランド１３とをワイヤ１６によりワイヤボンディングして、配線基板１１と容量センサ１２とを電気的に接続する。次いで、図５（ｂ）に示すように、通気穴１１ａを閉塞せずに、配線基板１１上で容量センサ１２を、封止部材１７を用いて封止する。このとき、封止部材１７を構成する封止樹脂は、第３シリコン層１２ｅと接触するが、ダイヤフラム１２ａ領域には接触しない。最後に、図５（ｃ）に示すように、配線基板１１をダイシングしてチップ化する。なお、図５（ｂ）の状態において、封止部材１７間の領域に、ＲＦＩＤのような他の電子素子を実装しても良い。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。上記実施の形態において、センサにおける電極や各層の厚さや材質については本発明の効果を逸脱しない範囲で適宜設定することができる。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態に係る容量センサパッケージを示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る容量センサパッケージの製造方法を説明するための図である。 従来の容量センサパッケージを示す図である。

符号の説明

１１ 配線基板
１１ａ 通気穴
１１ｂ 主面
１２ 容量センサ
１２ａ ダイヤフラム
１２ｂ 第１シリコン層
１２ｃ 第２シリコン層
１２ｄ 絶縁層
１２ｅ 第３シリコン層
１２ｆ 熱酸化膜
１３ ランド
１４ ダイボンド材
１５ａ，１５ｂ 電極
１６ ワイヤ
１７ 封止部材
１８ キャビティ領域
２１ 開口部

Claims (4)

1. 一対の主面及び通気穴を有する配線基板と、前記配線基板の一方の主面上に実装されており、可動電極及び固定電極を有し、前記可動電極と前記固定電極との間の静電容量の変化から物理量を検出する容量センサと、前記配線基板の前記一方の主面上で前記通気穴を閉塞せずに前記容量センサを封止する封止部材と、を具備し、前記容量センサは、前記通気穴を介して導入される外気で前記可動電極が可動する位置に実装されていることを特徴とする容量センサパッケージ。
2. 前記容量センサは、前記可動電極を構成する第１シリコン層と、前記配線基板の一方の主面上に実装される第２シリコン層と、前記第１シリコン層及び前記第２シリコン層の間に介在する一定厚の絶縁層と、から構成されることを特徴とする請求項１記載の容量センサパッケージ。
3. 前記第２シリコン層は、前記配線基板の温度変化による膨張・収縮を吸収するために十分な厚さを持つことを特徴とする請求項２記載の容量センサパッケージ。
4. 前記容量センサは、前記固定電極を構成する第３シリコン層と、前記可動電極を構成する第１シリコン層と、前記第１シリコン層、前記第３シリコン層、及び前記可動電極と前記固定電極との間のギャップに相当する厚さを持つ熱酸化膜で囲まれるキャビティ領域と、を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の容量センサパッケージ。

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