JP4466497B2 - センサモジュール - Google Patents

Description

本発明は、センサ素子を回路基板に収納したセンサモジュールに関する。

従来、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）を基板に実装してモジュール化したセンサモジュールとして、加速度センサや圧力センサなどが知られている。図６を参照して、従来のセンサモジュールの例を説明する。このセンサモジュールは、加速度検出用のものであり、例えば、厚み方向に変位する重錘体Ｇ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半導体素子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、半導体素子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。

また、リードフレーム上にセンサ素子と信号処理用ＩＣとを並列配置し、実装及び封止を行った加速度検出用のセンサモジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、加速度検出用のセンサ素子と、センサ素子の上部に重ねて配置され、センサ素子からの信号処理を行うと共に上部ストッパを兼ねる半導体素子と、これらを実装するベース（台座）と、を備え、センサ素子と半導体素子との間を異方性導電接着剤層を通じて電気的接続を行う加速度センサが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−８９９２５号公報 特開平８−１６００７１号公報

しかしながら、上述した図６や特許文献１に示されるようなセンサモジュールにおいては、センサ素子や半導体素子が平面的に配置されているので、センサモジュールの小型化が図れないという問題がある。また、これらのセンサモジュール、及び特許文献２に示されるようなセンサモジュールにおいては、センサ素子が力学的に強固な実装基板や、リードフレームや、ベース（台座）に樹脂を用いて実装されているので、センサ素子が実装基板等の熱膨張や熱収縮に基づく応力変化が、センサ素子に影響し、その特性変動や劣化を引き起こすという問題がある。

本発明は、上記課題を解消するものであって、小型化を実現すると共に、センサ素子への熱履歴の影響を低減してセンサ特性向上を実現できるセンサモジュール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、請求項１の発明は、センサ素子と、前記センサ素子を収納するための貫通空間が形成された回路基板と、前記貫通空間の上方の開口を閉塞するように、前記回路基板にバンプを介して接合される板状の半導体素子と、前記センサ素子を収納した前記貫通空間の下方の開口を閉塞するように、前記回路基板及びセンサ素子にバンプを介して接合される薄板状部材からなるインターポーザと、を備えることを特徴とするセンサモジュールである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、前記インターポーザは、当該インターポーザの厚み方向に貫通する貫通孔電極を備え、この貫通孔電極を用いて、当該センサモジュールを実装する実装基板上のパッドと前記回路基板との電気的導通をとるものである。

請求項３の発明は、請求項１に記載のセンサモジュールにおいて、前記回路基板は、前記インターポーザ側の側周及び／又は前記インターポーザの主面の端部側であって当該回路基板の下面に外部取り出し用の外部電極を備えており、前記外部電極は、当該センサモジュールを実装する実装基板に当該センサモジュールを電気的に接合するための実装基板上のパッドに導電性の接合部材を介して接合されるものであり、前記インターポーザは、当該インターポーザが前記回路基板の外部電極、導電性の接合部材、及び実装基板上のパッドのいずれにも接触しないように、前記回路基板の下面側主面よりも狭小に形成されているものである。

請求項４の発明は、請求項３に記載のセンサモジュールにおいて、前記回路基板は、当該センサモジュールを実装した状態において前記実装基板の方向に突出する凸部を、当該回路基板の下面側主面の外縁に備えているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセンサモジュールにおいて、前記インターポーザは、可撓性部材を用いて形成されているものである。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサモジュールにおいて、前記インターポーザ及びセンサ素子は、いずれもシリコンを用いて形成されているものである。

請求項７の発明は、請求項６に記載のセンサモジュールにおいて、前記センサ素子又は回路基板の少なくともいずれか一方は、前記インターポーザとのバンプを介して行う接合が常温接合によって行われているものである。

請求項１の発明によれば、回路基板の貫通空間に半導体素子とインターポーザとによりセンサ素子を収納閉塞するので、センサモジュールの低背化が可能となる。また、回路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、この立体回路基板、センサ素子、半導体素子、及びインターポーザを接合するバンプによって相互の電気接続を行うことができ、ワイヤボンディングによる電気接続に比してセンサモジュールを小型化できる。また、インターポーザが薄板状部材からなるので、その可撓性によりセンサ素子との接合部における低応力化が可能となる。また、バンプによる接合は常温により行うことができるので、センサ素子とインターポーザの接合を残留応力の小さい状態で実施でき、センサ素子への熱履歴影響の低減を実現できる。

請求項２の発明によれば、インターポーザの貫通孔電極を通してセンサモジュールの真下に出力を取り出すと共に実装基板に実装できるので、実装基板上の実装面積を小さくできる。

請求項３の発明によれば、インターポーザに貫通孔電極を形成する必要がないので製造が容易であり、また、回路基板の外部電極を接合部材、例えば、はんだにより実装基板に実装するので、センサモジュールを強固に実装できる。

請求項４の発明によれば、回路基板を実装基板に実装するため外部電極に用いる接合部材、例えば、はんだがインターポーザに接触するのを防ぐことができ、インターポーザと回路基板との電気的な短絡を回避することができる。

請求項５の発明によれば、センサ素子と回路基板との間に可撓性のある薄いインターポーザを介するので、回路基板に発生する熱収縮応力などの応力がセンサ素子に影響するのを防ぐことができる。

請求項６の発明によれば、センサ素子と、これに接合されるインターポーザが、互いに同じ部材で構成されるので、熱膨張や熱収縮が一様に生じることになり、センサ素子への熱応力が低減される。

請求項７の発明によれば、接合時に熱負荷がかからないので、センサ素子に熱応力が発生しない。

以下、本発明のセンサモジュールについて、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）〜（ｃ）、図２は本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュール１を示し、図３はセンサモジュール１をマザーボードに実装した状態を示す。このセンサモジュール１は、センサ素子１１と、センサ素子１１を収納するための貫通空間１２ａが形成された回路基板１２と、貫通空間１２ａの上方の開口を閉塞するように、回路基板１２にバンプ２３を介して接合される板状の半導体素子１３と、センサ素子１１を収納した貫通空間１２ａの下方の開口を閉塞するように、回路基板１２及びセンサ素子１１にバンプ２１，２２を介して接合される薄板状部材からなるインターポーザ１４と、を備える。

センサ素子１１は、例えば、外形サイズが□２ｍｍ、厚みが０．５ｍｍ程度であり、シリコン基板をＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて微細加工して形成されたものである。センサ素子１１は、例えば、図のように、内部に重錘体Ｇを備えることにより、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（第１バンプ２１とも称する、以下同様）を介してインターポーザ１４にフリップ実装されている。

インターポーザ１４は、外形サイズが、例えば、□３ｍｍ、厚みが０．２ｍｍ程度であり、シリコン基板の表面に配線パターン及びＡｌ電極（不図示）を備えて形成されている。第１バンプ２１は、例えば、外径がφ５０〜１００μｍのＡｕバンプであり、Ａｌ電極上に形成されている。第１バンプ２１は、例えば、Ａｕバンプであり、スタッドバンプ、めっきバンプなどの形成方法により形成されており、センサ素子１１の電極と接合されている。接合時にバンプ２１がつぶれ、高さが１５〜５０μｍ程度となる。Ａｕバンプとセンサ素子１１の電極との接合には、超音波接合、熱圧着接合、常温表面活性化接合等の方法が用いられる。

回路基板１２は、外形サイズが、例えば、□４ｍｍ、厚みが０．６ｍｍであり、センサ素子１１が接触しない寸法、例えば、内径サイズが□２．５ｍｍの切り欠き穴からなる貫通空間１２ａを備えている。貫通空間１２ａの中には、上述のように、センサ素子１１が収納される。回路基板１２は、その表面や必要に応じて内部に配線（不図示）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（Ｍｏｌｄｅｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ）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。

インターポーザ１４は、バンプ２２（第２バンプ２２）を介して回路基板１２にフリップチップ接合される。第２バンプ２２は、第１バンプ２１と同様に、外径がφ５０〜１００μｍのＡｕバンプであり、インターポーザ１４のＡｌ電極（不図示）上に形成されている。接合時にバンプ２２がつぶれ、高さが１５〜５０μｍ程度となる。Ａｕバンプと回路基板１２の電極（不図示）との接合には、超音波接合、熱圧着接合、常温表面活性化接合等の方法が用いられる。また、インターポーザ１４と回路基板１２と間には、エポキシ樹脂からなる第１絶縁材料３１をアンダーフィルとして入れて接合信頼性の向上が図られている。

半導体素子１３は、外形サイズが、例えば、□３ｍｍ、厚みが０．２ｍｍ程度であり、シリコン基板の表面に半導体集積回路を形成した半導体チップである。半導体素子１３は、バンプ２３（第３バンプ２３）を介して、回路基板１２にフリップチップ接合されている。第３バンプ２３は、第１バンプ２１と同様に、外径がφ５０〜１００μｍのＡｕバンプであり、半導体素子１３のＡｌ電極（不図示）上に形成されている。半導体素子１３と回路基板１２との接合時には、バンプ２３がつぶれ、高さが１５〜５０μｍ程度となる。Ａｕバンプと回路基板１２の電極（不図示）との接合には、超音波接合、熱圧着接合、常温表面活性化接合等の方法が用いられる。また、半導体素子１３と回路基板１２との間には、エポキシ樹脂からなる第２絶縁材料３２をアンダーフィルとして入れて接合信頼性の向上が図られている。

上述の構成、すなわち、半導体素子１３、インターポーザ１４、回路基板１２、第１絶縁材料３２、及び第２絶縁材料３２により、センサ素子１１は貫通空間１２ａの内部に気密状態で保持されて、センサモジュール１が形成される。

このようなセンサモジュール１は、図３に示すように、インターポーザ１４を介して、実装基板４（マザーボード）に実装される。この実装のために、インターポーザ１４は、当該インターポーザの厚み方向に貫通する貫通孔電極１５と、これに電気的に接続した電極パッド１５ａとを備えている。貫通孔電極１５は、例えば、タングステン（Ｗ）や銅（Ｃｕ）によって、直径が、例えば、φ１０〜１００μｍの形状に形成されている。

電極パッド１５ａと実装基板４上のパッド４１とを、導電性の接合部材、例えば、はんだによって接合することにより、貫通孔電極１５を介して、回路基板１２やインターポーザ１４の電気回路と、実装基板４の電気回路との電気的導通をとることができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュール１を示す。センサ素子１１は、センサ素子本体１１ａ、と上部材１１ｂと、下部材１１ｃとを備えて構成されている。センサ素子本体１１ａは、例えば、外形サイズが□２ｍｍ、厚みが０．５ｍｍ程度であり、シリコン基板をＭＥＭＳ技術を用いて微細加工して形成されている。上部材１１ｂ及び下部材１１ｃは、例えば、ガラス又はシリコンからなり、外形がセンサ素子本体１１ａと略同寸法、厚みが０．２ｍｍ程度であって、それぞれ、センサ素子本体１１ａの上面及び下面に配置されている。下部材１１ｃは、センサ素子本体１１ａからの信号を外部に取り出すため、ＷやＣｕからなる直径が、例えば、φ１０〜１００μｍの貫通孔電極１６を備えている。センサ素子本体１１ａの内部は、上部材１１ｂ、下部材１１ｃによって気密に保たれている。

インターポーザ１４は、第１の実施形態におけるインターポーザ１４よりも薄く、外形サイズが、例えば、□３ｍｍ、厚みが０．０５ｍｍ程度であり、シリコン基板の表面に配線パターン及びＡｌ電極（不図示）を備えて形成されている。インターポーザ１４のＡｌ電極上には、第１の実施形態と同様に、第１バンプ２１が形成されている。第１バンプ２１は、例えば、直径がφ５０〜１００μｍのＡｕバンプであり、スタッドバンプ、メッキバンプ等の形成方法により形成される。接合時にはバンプがつぶれ、高さが１５〜５０μｍ程度となる。これらの点は、第１の実施形態と同様である。センサ素子本体１１ａは、貫通孔電極１６と第１バンプ２１とを介して、インターポーザ１４にフリップチップ接合される。

インターポーザ１４の第１バンプ２１とセンサ素子１１の電極（下部材１１ｃに形成された貫通孔電極１６の下端面における電極、不図示）とは、接合部表面をプラズマ照射などにより活性化した後に常温で接合する、いわゆる、常温表面活性化接合を用いて接合される。これにより、実装時の熱履歴を無くすことができ、熱収縮によって接合部に発生する応力を低減できる。

また、インターポーザ１４は、例えば、厚さが０．０５ｍｍ程度と非常に薄いので、撓むことが可能である。そこで、インターポーザ１４は、実装後に受ける熱履歴や回路基板１２とセンサ素子１１の線膨張係数の差により発生する熱応力を、自らが撓むことにより吸収し、センサ素子１１への応力の伝達を阻止することができる。

回路基板１２は、第１の実施形態の回路基板１２よりより厚く、外形サイズが□４ｍｍ、厚みが１．０ｍｍである。回路基板１２が、例えば、内形サイズが□２．５ｍｍの貫通空間１２ａを備え、ＭＩＤ基板、ＦＲ−４からなる有機基板やセラミック基板で製作される点は、第１の実施形態と同様である。

インターポーザ１４は、第２バンプ２２を介して回路基板１２にフリップチップ接合されている。第２バンプ２２も第１バンプ２１と同様に、φ５０〜１００μｍのＡｕバンプであり、インターポーザ１４のＡｌ電極上に形成され、接合時にバンプがつぶれて高さが１５〜５０μｍ程度となる。インターポーザ１４の第２バンプ２２と回路基板１２上の電極とは、例えば、熱圧着接合により接合される。また、インターポーザ１４と回路基板１２間にはエポキシ樹脂からなる第１絶縁材料３１をアンダーフィルとして入れて接合信頼性の向上が図られている。

インターポーザ１４と回路基板１２との熱圧着接合の後、常温に戻るまで、回路基板１２とインターポーザ１４とは熱収縮する。回路基板１２とシリコンからなるインターポーザ１４との線膨張係数の差による熱収縮量の差が、厚みが薄いインターポーザ１４に撓みとして残る。この撓みは、後工程において発生する熱履歴に対して、回路基板１２がセンサ素子１１を引っ張ったときの応力を緩和する役割を果たす。

半導体素子１３は、その構成や取付方法が第１の実施形態における半導体素子１３と同様であり、第３バンプ２３によって回路基板１２にフリップチップ接合され、接合部に第２絶縁材料３２がアンダーフィルとして入れられ、回路基板１２との接合信頼性の向上が図られている。

次に、センサモジュール１の実装基板４への実装について説明する。センサモジュール１は、回路基板１２を介して実装基板４に実装される。このため、回路基板１２は、インターポーザ１４側（下側）の側面部から下面にわたって設けられた外部取り出し用の外部電極１７を備えている。この外部電極１７は、センサモジュール１を実装基板４に電気的に接合するため、実装基板４上のパッド４１に導電性の接合部材、例えば、はんだ４２を用いて接合される。

インターポーザ１４は、インターポーザ１４が回路基板１２の外部電極１７、はんだ４２、及び実装基板４上のパッド４１のいずれにも接触しないように、回路基板１２の下面側主面よりも狭小に形成されている。すなわち、回路基板１２の底面積と、インターポーザ１４の面積に差を設け、はんだ４２と回路基板１２の外部電極１７との接合面積（言い換えると、実装基板４上のパッド４１と回路基板１２の外部電極１７の対向面積）を増やし、より確実にセンサモジュール１を実装基板４に実装できるようにしている。

（第３の実施形態）
図４は本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュール１を示す。このセンサモジュール１は、バンプ２２，２３におけるアンダーフィルがない点、及び回路基板１２の下面の外縁部に凸部１８を備えている点が、上述の第２の実施形態のセンサモジュール１とは異なり、他の点は同様である。

このセンサモジュール１は、第２の実施形態と同様に、回路基板１２の側面部から下面にわたって設けられた外部電極１７を用いて、実装基板４に実装される。回路基板１２の外部電極１７と実装基板４上のパッド４１とは、はんだ４２によって接合される。このセンサモジュール１は、インターポーザ１４と回路基板１２との間にアンダーフィルを入れていないので、第２バンプ２２の導体表面が露出する。そこで、溶融した状態で、はんだ４２がインターポーザ１４と回路基板１２との間に進入して短絡が発生するのを未然に防止するため、凸部１８を設けている。凸部１８の存在によって、外部電極１７と第２バンプ２２との沿面距離を長くすると共に、第２バンプ２２の位置を上方に押しやることにより、溶融したはんだ４２が第２バンプ２２に接近するのを防止する。この凸部１８は、例えば、段差０．１ｍｍ以上を持たせて形成する。

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。センサモジュール１やその構成要素は、外形が正方形とは限らなく、例えば、長方形であってもよい。また、センサ素子１１は、例えば、上述の図２における配置において上下逆転した配置（重錘体Ｇがぶら下がった状態）として、インターポーザ１４にバンプ接合するようにしてもよい。また、上述した図や説明文中の上下は、説明の便宜のためのものであり、センサモジュール１の使用時の上下位置を限定するものではない。

また、上記では、第１バンプ２１、第２バンプ２２をインターポーザ１４に形成し、第３バンプ２３を半導体素子１３に形成する旨説明したが、これに限らず、第１バンプ２１をセンサ素子１１に形成し、第２バンプ２２、第３バンプ２３を回路基板１２に形成するようにしてもよい。回路基板１２にバンプを設ける場合は、回路基板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。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサモジュールの分解斜視図、（ｂ）は同センサモジュールの回路基板を外した状態の斜視図、（ｃ）は同センサモジュールの斜視図。 同上センサモジュールの断面図。 同上センサモジュールを実装基板に実装した状態の断面図。 本発明の第２の実施形態に係るセンサモジュールの断面図。 本発明の第３の実施形態に係るセンサモジュールの断面図。 従来のセンサモジュールの断面図。

符号の説明

１ センサモジュール
４ 実装基板
１１ センサ素子
１２ 回路基板
１３ 半導体素子
１４ インターポーザ
１５ 貫通孔電極
１７ 外部電極
１８ 凸部
２１ 第１バンプ
２２ 第２バンプ
２３ 第３バンプ
４１ パッド
４２ はんだ（接合部材）
１２ａ 貫通空間
Ｇ 重錘体

Claims (7)

1. センサ素子と、
   前記センサ素子を収納するための貫通空間が形成された回路基板と、
   前記貫通空間の上方の開口を閉塞するように、前記回路基板にバンプを介して接合される板状の半導体素子と、
   前記センサ素子を収納した前記貫通空間の下方の開口を閉塞するように、前記回路基板及びセンサ素子にバンプを介して接合される薄板状部材からなるインターポーザと、を備えることを特徴とするセンサモジュール。
2. 前記インターポーザは、当該インターポーザの厚み方向に貫通する貫通孔電極を備え、この貫通孔電極を用いて、当該センサモジュールを実装する実装基板上のパッドと前記回路基板との電気的導通をとることを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 前記回路基板は、前記インターポーザ側の側周及び／又は前記インターポーザの主面の端部側であって当該回路基板の下面に外部取り出し用の外部電極を備えており、
   前記外部電極は、当該センサモジュールを実装する実装基板に当該センサモジュールを電気的に接合するための実装基板上のパッドに導電性の接合部材を介して接合されるものであり、
   前記インターポーザは、当該インターポーザが前記回路基板の外部電極、導電性の接合部材、及び実装基板上のパッドのいずれにも接触しないように、前記回路基板の下面側主面よりも狭小に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のセンサモジュール。
4. 前記回路基板は、当該センサモジュールを実装した状態において前記実装基板の方向に突出する凸部を、当該回路基板の下面側主面の外縁に備えていることを特徴とする請求項３に記載のセンサモジュール。
5. 前記インターポーザは、可撓性部材を用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセンサモジュール。
6. 前記インターポーザ及びセンサ素子は、いずれもシリコンを用いて形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のセンサモジュール。
7. 前記センサ素子又は回路基板の少なくともいずれか一方は、前記インターポーザとのバンプを介して行う接合が常温接合によって行われていることを特徴とする請求項６に記載のセンサモジュール。

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