JP2008101917A - 圧力センサのパッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズであっても、高感度で圧力を検出することができる圧力センサのパッケージを提供すること。
【解決手段】パッケージは、固定電極１３を有するガラス基板１１と、この固定電極１３との間に所定の間隔をおいて配置されたダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１５とを有する圧力センサ１と、ダイヤフラム１５ａと対向するようにして圧力センサ１を実装するシリコン−ガラス複合基板である支持基板２と、圧力センサ１及び支持基板２を固定する樹脂層３とから主に構成されている。圧力センサ１は、支持基板２の実装領域に接合部材４を介して実装されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電容量型圧力センサのような圧力センサを収容するパッケージに関する。

近年、静電容量型圧力センサやピエゾ型圧力センサなどが開発されており、これらのセンサが種々のデバイスに搭載されている。このようなセンサがデバイスに搭載される場合には、通常、センサをセラミックパッケージなどのパッケージでパッケージングしてからデバイスに搭載する。

例えば、圧力センサをパッケージにパッケージングする場合には、通常、パッケージの底面全面に接着剤（ダイボンディング剤）を塗布し、その上に圧力センサを搭載することにより、パッケージング底面に接着剤で圧力センサを接着（ダイボンディング）している（特許文献１）。
特開平９−１０１２２０号公報

しかしながら、上記のような搭載形態においては、センサを構成する材料とパッケージを構成する材料との間の熱膨張係数の違いによりセンサ特性に影響を与えることがある。例えば、センサを構成する材料がシリコンであり、パッケージを構成する材料がアルミナである場合では、シリコンの熱膨張係数が３〜３．５×１０^-6／Ｋ程度であり、アルミナの熱膨張係数が８×１０^-6／Ｋ程度であり、パッケージ側の熱膨張係数が大きいので、パッケージ側の熱膨張の影響を受けて、センサの温度特性が悪くなるという問題がある。特に、基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズの圧力センサにおいては、この熱膨張によりダイヤフラムが変形してしまい、正確に圧力を検出することができなくなってしまう。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズであっても、高感度で圧力を検出することができる圧力センサのパッケージを提供することを目的とする。

本発明の圧力センサのパッケージは、シリコン製導電部材が埋め込まれており、固定電極を有するガラス基板、及び前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有するシリコン基板を有する圧力センサと、シリコン−ガラス複合基板で構成されており、前記可動電極と対向するようにして前記圧力センサが実装された支持基板と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、圧力センサを構成する構造がシリコン−ガラス複合構造であり、支持基板がシリコン−ガラス複合基板であるので、圧力センサの熱膨張係数と支持基板の熱膨張係数が非常に近似している。このため、パッケージ側の熱膨張の影響を受けて、センサの温度特性が悪くなるということが回避される。したがって、基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズの圧力センサにおいて、熱膨張によるダイヤフラムの変形がなく、正確に圧力を検出することができる。

また、この構成においては、上記のように圧力センサと支持基板との間の熱膨張係数の差が非常に小さいので、圧力センサを支持基板に実装する際の接合部材に制限がなく、接合方法の選択の自由度が大幅に向上する。

本発明の圧力センサのパッケージにおいては、前記圧力センサ及び前記支持基板を固定する樹脂層をさらに具備することが好ましい。

本発明の圧力センサのパッケージによれば、シリコン製導電部材が埋め込まれており、固定電極を有するガラス基板、及び前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有するシリコン基板を有する圧力センサと、シリコン−ガラス複合基板で構成されており、前記可動電極と対向するようにして前記圧力センサが実装された支持基板と、を具備するので、基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズであっても、高感度で圧力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圧力センサのパッケージを示す断面図である。
図１に示す圧力センサのパッケージは、固定電極を有するガラス基板と、この固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有するシリコン基板とを有する圧力センサ１と、可動電極と対向するようにして圧力センサ１を実装する実装領域を有する支持基板２と、圧力センサ１及び支持基板２を固定する樹脂層３とから主に構成されている。圧力センサ１は、支持基板２の実装領域に接合部材４を介して実装されている。

圧力センサ１は、シリコン製導電部材が埋め込まれており、固定電極を有するガラス基板、及びこの固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有するシリコン基板を備えた構成を有する。すなわち、圧力センサ１は、以下のような構造を有する。

図中１１はガラス基板を示す。ガラス基板１１は、対向する一対の主面１１ａ，１１ｂを有する。ガラス基板１１には、シリコン製部材１２ａ，１２ｂが埋設されている。このシリコン製部材１２ａ，１２ｂは、シリコン基板１２から突出するように設けられている。シリコン製部材１２ａ，１２ｂは、ガラス基板１１の主面１１ａで露出している。

ガラス基板１１の主面１１ａ側は、固定電極と可動電極との間の間隔を確保するための凹部１１ｃが形成されている。また、凹部１１ｃ内においては、固定電極形成領域に凸部１１ｄが設けられており、凸部１１ｄ上に固定電極１３が形成されている。この固定電極１３は、凹部１１ｃのシリコン製部材１２ａの露出部分にも形成されている。これにより、固定電極１３とシリコン製部材１２ａとが電気的に接続されている。

ガラス基板１１の主面１１ａの凹部１１ｃ以外の領域（接合領域）１１ｅ上には、可動電極であるダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１５が接合されている。ガラス基板１１とシリコン基板１５とが接合されることによりキャビティ１６が形成される。このキャビティ１６内に固定電極１３が位置する。

キャビティ１６外のガラス基板１１上には、電極１４ａ，１４ｂが形成されている。この電極１４は、接合部材４と電気的に接続するものであり、一方の電極１４ｂは、シリコン製部材１２ｂの露出部分上に形成されている。これにより、電極１４ｂとシリコン製部材１２ｂとが電気的に接続されている。

ガラス基板１１とシリコン基板１５との間の界面は、高い密着性を有することが望ましいので通常陽極接合される。陽極接合とは、所定の温度（例えば４００℃以下）で所定の電圧（例えば３００Ｖ〜１ｋＶ）を印加することにより、シリコンとガラスとの間に大きな静電引力が発生して、界面で共有結合を起こさせる処理をいう。この界面での共有結合は、シリコンのＳｉ原子とガラスに含まれるＳｉ原子との間のＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合である。したがって、このＳｉ−Ｓｉ結合又はＳｉ−Ｏ結合により、シリコンとガラスとが強固に接合して、両者間の界面で非常に高い密着性を発揮する。このような陽極接合を効率良く行うために、ガラス基板１１のガラス材料としては、ナトリウムなどのアルカリ金属を含むガラス材料（例えばパイレックス（登録商標）ガラス）であることが好ましい。これにより、ダイヤフラム１５ａとガラス基板１１との間で構成するキャビティ１６内の気密性を高く保つことができる。なお、ガラス基板１１とシリコン製部材１２ａ，１２ｂとの界面も高い密着性を有することが好ましいので、陽極接合されていることが望ましい。

上記構成を有する圧力センサ１が実装される支持基板２は、シリコン−ガラス複合基板で構成されている。すなわち、支持基板２は、ガラス基板２１にシリコン製部材２２が埋め込まれてなる基板で構成されている。このシリコン製部材２２は、ガラス基板２１の両主面で露出しており、両主面上で電極２３，２４とそれぞれ電気的に接続されている。

また、シリコン製部材２２間には、開口部２２ａが形成されている。この開口部２２ａは、樹脂層３を形成する際にエアが巻き込まれても、このエアを放出する通路（エア抜き）としても機能する。

樹脂層３を構成する材料としては、例えば紫外線硬化型樹脂などを挙げることができる。このような樹脂層３を設けることにより、圧力センサ１と支持基板２との間の接合領域の接合強度を向上させることができる。

支持基板２の電極２３が圧力センサ１を実装する実装領域となっており、この電極２３上に接合部材４を介して圧力センサ１が実装されている。このとき、圧力センサ１は、ダイヤフラム１５ａを支持基板２に対向させて（ダイヤフラム１５ａを下側に、シリコン基板１２を上側にして）実装されている。圧力センサ１を支持基板２に実装する際の接合部材４としては、半田や金などの金属で構成されたバンプ、導電性接着剤などの通常の表面実装技術において用いられるすべての部材を挙げることができる。

このような構成を有する圧力センサのパッケージにおいては、圧力センサ１を構成する構造がシリコン−ガラス複合構造であり、支持基板２がシリコン−ガラス複合基板であるので、圧力センサ１の熱膨張係数と支持基板２の熱膨張係数が非常に近似している。このため、パッケージ側の熱膨張の影響を受けて、センサの温度特性が悪くなるということが回避される。したがって、基板とダイヤフラムとの間のギャップ間隔が数μｍ程度のサイズの圧力センサにおいて、熱膨張によるダイヤフラムの変形がなく、正確に圧力を検出することができる。

また、本圧力センサのパッケージにおいては、上記のように圧力センサ１と支持基板２との間の熱膨張係数の差が非常に小さいので、圧力センサ１を支持基板２に実装する際の接合部材に制限がなく、接合方法の選択の自由度が大幅に向上する。

次に、本発明の実施の形態に係る圧力センサのパッケージの製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）及び図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサのパッケージの製造方法を説明するための断面図である。

まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１２を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗値としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。このシリコン基板１２をエッチングして、シリコン製部材（突出部）１２ａ，１２ｂを形成する。エッチングとしては、ドライエッチングでも良く、ウェットエッチングでも良い。ただし、ウェットエッチングの場合には、エッチングレートに差が出るようにシリコン基板１２の表面の結晶面を規定して異方性エッチングすることが好ましい。

次いで、図２（ａ）に示すように、突出部を形成したシリコン基板１２上にガラス基板１１を置く。さらに、このシリコン基板１２及びガラス基板１１を加熱し、シリコン基板１２をガラス基板１１に押圧してシリコン製部材１２ａ，１２ｂをガラス基板１１の主面１１ｂに押し込んで、シリコン基板１２とガラス基板１１とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度が好ましい。例えば加熱温度は約６００℃である。

次いで、図２（ｂ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａをミリング加工して凹部１１ｃを形成すると共に、凸部１１ｄを形成し、凸部１１ｄを含む領域上に固定電極１３を形成する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、ガラス基板１１の主面１１ａ側の接合領域１１ｅにダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１５を陽極接合する。陽極接合は、シリコン基板１５及びガラス基板１１にそれぞれ電極をつけて、約４００℃以下の加熱下で約３００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加することにより行う。さらに、キャビティ１６外のガラス基板１１上に、電極１４ａ，１４ｂを形成する。

固定電極１３や電極１４ａ，１４ｂの形成は、電極形成領域上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィーにより電極形成領域にレジスト膜が残存するようにパターニングし、レジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングすることにより行う。

このようにして、シリコン製部材１２ａ，１２ｂが埋め込まれており、固定電極１３を有するガラス基板１１と、固定電極１３との間に所定の間隔をおいて配置されたダイヤフラム１５ａを有するシリコン基板１２とを含むシリコン−ガラス複合構造の圧力センサ１を作製することができる。

次いで、上記と同様の低抵抗化したシリコン基板を準備し、そのシリコン基板を上記と同様にしてエッチングして、シリコン製部材（突出部）２２を形成する。そして、上記と同様にして、突出部を形成したシリコン基板上にガラス基板２１を置き、このシリコン基板及びガラス基板２１を加熱し、シリコン基板をガラス基板２１に押圧してシリコン製部材２２をガラス基板２１の一方の主面に押し込んで、図３（ａ）に示すように、シリコン基板とガラス基板２１とを接合する。

次いで、シリコン基板の両主面を研磨処理することによりシリコン製部材２２を両主面で露出させる。これにより、ガラス基板２１にシリコン製部材２２が埋め込まれた状態となる。次いで、ガラス基板２１の両主面の実装領域に電極２３，２４を形成する。この電極２３，２４は、両主面で露出したシリコン製部材２２上に形成され、シリコン製部材２２と電極２３，２４とがそれぞれ電気的に接続される。この電極２３，２４の形成は固定電極１３などと同様の方法で形成する。

このようにして、シリコン製部材２２が埋め込まれたシリコン−ガラス複合基板である支持基板２を作製することができる。

次いで、図３（ｃ）に示すように、支持基板２の実装領域、すなわち電極２３上に圧力センサ１を実装する。この場合、まず、圧力センサ１の電極１４ａ，１４ｂ上に接合部材４であるバンプを形成し、そのバンプが支持基板２の電極２３上に位置するように位置合わせした状態で、圧力センサ１を支持基板２上に実装する。その後、紫外線硬化型樹脂を圧力センサ１と支持基板２との間の接合部に流し込んで硬化させて樹脂層３を形成する。これにより、本発明に係る圧力センサのパッケージが得られる。なお、圧力センサ１を支持基板２上に実装する方法や、樹脂層３を形成する方法としては、上記の方法に限定されず、通常行われている方法で行うことができる。

このようなパッケージにおいては、圧力センサ１を構成する構造がシリコン−ガラス複合構造であり、支持基板２がシリコン−ガラス複合基板であるので、圧力センサ１の熱膨張係数と支持基板２の熱膨張係数が非常に近似している。このため、ダイヤフラム１５ａが熱膨張により変形を受けず、圧力以外の影響でダイヤフラムが変形することを防止できる。その結果、圧力センサ１のダイヤフラム１５ａが圧力のみで変形するので、正確に圧力を検出することが可能となる。特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により作製するギャップが数μｍもしくは１μｍ以下である容量型圧力センサでは、圧力以外の影響がダイヤフラム変形すると圧力検出を行うことができなくなるので、このような圧力センサに対しては、本構成のパッケージが特に有効である。また、ダイヤフラム１５ａを支持基板２側に向けて圧力センサ１を実装しているので、圧力センサ１の剛性のあるシリコン基板１２が外側に配置される。このため、シリコン基板１２が圧力センサ１のパッケージの外枠を構成するので、蓋部材が不要となり構成が簡略化される。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
上述したようにシリコン−ガラス構造を有する圧力センサ（熱膨張係数：約３ｐｐｍ／℃）をシリコン−ガラス基板（熱膨張係数：約３ｐｐｍ／℃）である支持基板上に実装して図１に示すようなパッケージ（実施例）を作製した。また、シリコン−ガラス基板の代わりにアルミナ基板（熱膨張係数：約７ｐｐｍ／℃）で構成された支持基板上にシリコン−ガラス構造を有する圧力センサを実装してパッケージ（比較例１）を作製した。また、シリコン−ガラス基板の代わりにガラス−エポキシ基板（熱膨張係数：約１２ｐｐｍ／℃）で構成された支持基板上にシリコン−ガラス構造を有する圧力センサを実装してパッケージ（比較例２）を作製した。

このように作製された実施例のパッケージ及び比較例１，２のパッケージについて、温度特性を調べた。その結果を図４に示す。温度特性は、パッケージングしたサンプルを恒温槽に入れ、測定温度に設定後ＬＣＲメータにより静電容量を測定することにより調べた。

図４から分かるように、実施例のパッケージは、圧力センサと支持基板との間でほとんど熱膨張係数の差がないので、熱膨張による影響を受けず、優れた温度特性を示した。一方、比較例１，２のパッケージは、圧力センサと支持基板との間で熱膨張係数の差が大きい（比較例１：約４ｐｐｍ／℃、比較例２：約９ｐｐｍ／℃）ので、その影響を受けて温度特性が悪かった。

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可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。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。

本発明は、例えばハードディスクドライブにおけるヘッド浮上を検出する際に用いる圧力センサのパッケージに適用することができる。

本発明の実施の形態に係る圧力センサのパッケージを示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る圧力センサの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、本発明の実施の形態に係る圧力センサのパッケージの製造方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係る圧力センサのパッケージにおける圧力センサの温度特性を示す図である。

符号の説明

１ 圧力センサ
２ 支持基板
３ 樹脂層
４ 接合部材
１１，２１ ガラス基板
１１ａ，１１ｂ 主面
１１ｃ 凹部
１１ｄ 凸部
１１ｅ 接合領域
１２，１５ シリコン基板
１２ａ，１２ｂ，２２ シリコン製部材
１３ 固定電極
１４ａ，１４ｂ，２３，２４ 電極
１６ キャビティ
２２ａ 開口部

Claims (2)

1. シリコン製導電部材が埋め込まれており、固定電極を有するガラス基板、及び前記固定電極との間に所定の間隔をおいて配置された可動電極を有するシリコン基板を有する圧力センサと、シリコン−ガラス複合基板で構成されており、前記可動電極と対向するようにして前記圧力センサが実装された支持基板と、を具備することを特徴とする圧力センサのパッケージ。
2. 前記圧力センサ及び前記支持基板を固定する樹脂層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の圧力センサのパッケージ。

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