JP2013525766A - シリコン圧力センサーのパッケージ構造 - Google Patents

Abstract

シリコン圧力センサーのパッケージ構造において、蓋板とベースを含み、当該両者は、互いに連結し合い、中央部がキャビティとなり、当該中央部のキャビティ内には、パッキンシールと圧力感知シリコンウェハが設けられている。パッキンシールは、圧力感知シリコンウェハの下方にあり、圧力感知シリコンウェハのランドは、蓋板を通じて外回路に繋ぐ。本発明はパッケージ構造及び生産プロセスを簡素化し、材料と製作プロセスコストとも、大幅に削減し、且つ過負荷能力を持つ様になった。

Description

本発明は、圧力センサー、特にシリコン圧力センサーのパッケージ構造に関する。

通常、圧力センサーは、圧力変化について計測と応答必要となる場所に採用・配置される。例えば、航空宇宙、商業、工業等の多くの領域で応用される。

シリコンＭＥＭＳ（マイクロ エレクトロニクス メカニック システム）技術を利用して作った敏感素子は、圧力センサーのコア素子であり、圧力センサーの性能は、敏感素子のパッケージ構造に大きく影響される。既存の媒体が腐食性ガス或いは液体である敏感素子のパッケージ構造を、図１に示す。先ず、ＭＥＭＳ技術によって加工したシリコンウェハ１０７（即ち敏感素子）は、ガラスベース１０８とボンディングされて合わされ、シェル１０９のキャビティにぴったりとくっついている。そして、ガラス粉１０３にて、タップピン１０２をシェル１０９のタップ穴内に焼結され、ゴールド糸１０４にて、シリコンウェハ１０７上のランドをタップピン１０２の片端に溶接し、タップピン１０２の他端にＰＣＢ基板１０１を１枚接続し、シェル１０９のキャビティにシリコンオイル１０５を注ぎ、最後に波状ダイアフラム１０６を溶接する。

この様なパッケージ構造を採用して、腐食性媒体が波状ダイアフラム１０６に接触すると、シリコンオイル１０５を通じて、圧力がシリコンウェハ１０７に伝達され、圧力を伝達するとともに、腐食防止の目的を実現できる。

しかし、上述のパッケージの構造と生産プロセスは複雑で、コストも高くて、シリコン圧力センサーの量産及び応用は、中々満足出来なくなる。

現有のパッケージ構造と生産プロセスが複雑で、コストが高く等の欠点について、申請者は、研究・改善の上、新規のシリコン圧力センサーのパッケージ構造を開発して、構造と生産プロセスを簡素化し、材料とプロセスコストとも、大幅に低下になり、かつ過負荷能力を持つようにした。

本発明の技術案は下記の通りである。

シリコン圧力センサーのパッケージ構造において、蓋板とベースを含み、当該両者は、互いに連結し合い、中央部がキャビティとなり、当該中央部のキャビティ内には、パッキンシールと圧力感知シリコンウェハが設けられている。パッキンシールは、圧力感知シリコンウェハの下方にあり、圧力感知シリコンウェハのランドは、蓋板を通じて外回路に繋ぐ。

選別可能な技術案一：当該蓋板において、圧力感知シリコンウェハのランドに対応する位置には、貫通穴が開けられていて、当該貫通穴内に、導電接着剤が充填されている。

選別可能な技術案二：当該蓋板において、圧力感知シリコンウェハのランドに対応する位置には、貫通穴が開けられていて、当該貫通穴の穴内壁面と上下縁には、導電層が設置されている。

選別可能な技術案三：当該蓋板において、圧力感知シリコンウェハのランドに対応する位置には、貫通穴が開けられていて、当該貫通穴の穴内壁面と上下縁には、導電層が設置されていて、当該小さい穴内に、導電接着剤が充填されている。

選別可能な技術案四：当該蓋板内に、貫通のコードが設置されていて、圧力感知シリコンウェハのランドは、当該コードに繋ぐ。

更なる技術案は、当該蓋板のトップ部に、回路を設けて、当該回路は、信号制御回路チップと電気的に接続することである。

尚、その更なる技術案は、当該圧力感知シリコンウェハのトップ部と蓋板のボトム部の間に、サポートスペーサーが設けられており、当該サポートスペーサーは、圧力感知シリコンウェハのトップ部又は蓋板のボトム部に設置され、且つ圧力感知シリコンウェハの中心変化域の外郭にあることである。

その外に、更なる技術案は、当該パッキンシールは、フレキシブル材料で製作されていることである。

本発明の有益な技術効果は、次の通りである。

（１）本発明は、ボンデイングプロセスを取消したことによって、シリコンオイルを注ぎ、波状ダイアフラムで仕切る必要もなく、パッケージ構造および生産プロセスを簡素化でき、材料とプロセスコストとも、大幅に削減できる。

（２）本発明は、蓋板のトップ部に回路を設けたことともに、ＰＣＢ基板の機能を持ち、信号制御回路チップとの電気的な接続ができることによって、標準信号出力可能な圧力トランスデューシング・モジュールが作り易くなる。

（３）本発明は、フレキシブル的なパッキンシール採用によって、圧力感知シリコンウェハが、セラミックキャビティ内でフローティング状態になることによって、鋼性パッケージによるパッケージ応力発生を避けられる様になる。

（４）圧力感知シリコンウェハのトップ部の周り又は蓋板のボトム部には、ある程度の厚みのサポートスペーサーが設けられているので、圧力感知シリコンウェハの破損防止を図ることができ、且つ十倍以上の圧力過負荷に耐えられ、過負荷能力を持つ様になる。

既存シリコン圧力センサーのパッケージ構造断面の見取り図を示す。 本発明の実施例一の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の実施例二の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の実施例三の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の実施例四の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の実施例五の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 本発明の実施例六の断面見取り図であり、図８のＡ−Ａ方向の断面図である。 圧力感知シリコンウェハの上から見た、サポートスペーサーの形状と位置の拡大見取り図である。

付図を結びつけて、実施例で本発明につき具体的に説明する。

＜実施例一＞
図２は、本発明の実施例一の見取り図を示す。図２に示す通り、蓋板２０１とベース２０２がぴったりとくっついていて、キャリアとし、且つ中央部がキャビティとなり、キャビティ内に、パッキンシール２０３と圧力感知シリコンウェハ２０４が設置され、パッキンシール２０３は、圧力感知シリコンウェハ２０４の下方に付けられている。圧力感知シリコンウェハ２０４のランドは、蓋板２０１を通じて、外回路に繋ぐ。その選別可能な実施方式として、蓋板２０１において、圧力感知シリコンウェハ２０４のランドに対応する位置に、小さい貫通穴が開けられおり、導電接着剤２０５で小さい穴内を充填することによって、ランドの信号を蓋板２０１のトップ部に引き出して、外回路に入る。本発明のパッキンシール２０３は、フレキシブル性材料で製作され（例えば、ゴム）、圧力感知シリコンウェハ２０４をキャビティ内でフローティングさせることによって、鋼性パッケージによるパッケージ応力発生を避ける。

＜実施例二＞
図３のように、その選別可能な方式として、蓋板２０１において、圧力感知シリコンウェハ２０４のランドに対応する位置に、小さい貫通穴が開けられている。当該小さい貫通穴の穴内壁面と上下縁に、導電層２０６が設置されている。導電層２０６を通じて、ランドの信号を蓋板２０１のトップ部に引き出して、更に外回路に繋ぐ。

＜実施例三＞
図４の通りに、その選別可能な方式として、蓋板２０１において、圧力感知シリコンウェハ２０４のランドに対応する位置に、小さい貫通穴が開けられておいている。当該小さい貫通穴の穴内壁面と上下縁に、導電層２０６が設置されており、且つ小さい貫通穴内に、導電接着剤２０５が充填されていて、導電層２０６と導電接着剤２０５を通じて、ランドの信号を蓋板２０１のトップ部に引き出して、外回路に繋ぐ。

＜実施例四＞
図５に示す様に、その選別可能な方式として、蓋板２０１内に、貫通のコード２０７が設置されていて、コード２０７の両端に導電片を繋ぎ、圧力感知シリコンウェハ２０４のランドは、コード２０７の片端の導電片に接続され、導電片とコード２０７を通じて、ランドの信号を蓋板２０１のトップ部に引き出して、外回路に繋ぐ。

上述の四つの実施例を元に、更に次の実施案がある。

＜実施例五＞
図６の通りに、その更なる選別可能な実施方式として、蓋板２０１のトップ部を、シックフィルムプロセスかシンフィルムプロセスによって、回路にするとともに、ＰＣＢ基板の機能を持たせて、信号制御回路チップ２０８に電気的に連結する。こうして、標準信号出力を持つシリコン圧力センサーのパッケージ構造が作り出される。

＜実施例六＞
図７、図８に示す通り、その更なるオプチマム選別可能な実施方式として、圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部と蓋板２０１の間に、サポートスペーサー２０９が設置されている。サポートスペーサー２０９は、圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部に、若しくは蓋板２０１のボトム部にも設置でき、更に、圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部及び蓋板２０１のボトム部に、それぞれサポートスペーサー２０９を設けることができる。サポートスペーサー２０９は、圧力感知シリコンウェハ２０４の中心変化域２１０以外の領域に設置されている。サポート効果が確保される前提で、サポートスペーサー２０９の形状と位置は、設計仕様通りに選別することができる。例えば、サポートスペーサー２０９は、圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部の四隅に設置でき、同時にサポートスペーサー２０９は、圧力感知シリコンウェハ２０４のランドとすることもできる。サポートスペーサー２０９は、既存のシックフィルムプロセスかシンフィルムプロセスによって、直接に圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部又は蓋板２０１のボトム部に付着できる。サポートスペーサー２０９がこの部位に設置されているので、図７に示す蓋板２０１は、図２〜図６の様に、圧力感知シリコンウェハ２０４のトップ部に対応する箇所に穴を開ける必要がない。

サポートスペーサー２０９は、圧力感知シリコンウェハ２０４の中心変化域２１０と蓋板２０１のボトム部平面との間に、一定の隙間を生じさせることができ、当該隙間は、定格圧力の時に圧力感知シリコンウェハが垂直方向に生じた変形量より大きく、圧力過負荷の際に、当該隙間が無くなり、敏感シリコンウェハ２０４の変化域２１０の持続変形が抑えられることによって、破損防止を図り、十倍以上の圧力過負荷に耐えられる。

以上説明したのは、本発明に対する解釈であり、発明に対しての限定ではなく、本発明に限定されている範囲について、特許請求の範囲を参照し、本発明の構想を背かない限りに、本発明は如何なる形式の改正をしても良い。

Claims (8)

1. シリコン圧力センサーのパッケージ構造において、
   蓋板（２０１）とベース（２０２）を含み、
   当該両者は、互いに連結し合い、中央部がキャビティとなり、
   当該中央部のキャビティ内には、パッキンシール（２０３）と圧力感知シリコンウェハ（２０４）が設けられており、
   パッキンシール（２０３）は圧力感知シリコンウェハ（２０４）の下方に付けられており、
   圧力感知シリコンウェハ（２０４）のランドは、外回路に接続されている、
   ことを特徴とするシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
2. 蓋板（２０１）の圧力感知シリコンウェハ（２０４）のランドに対応する位置にチャネルが開けられており、当該貫通穴内に導電性接着剤（２０５）が充填されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
3. 蓋板（２０１）の圧力感知シリコンウェハ（２０４）のランドに対応する位置にチャネルが開けられており、当該貫通穴の穴内壁面及び上下縁に、導電層（２０６）が設置されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
4. 蓋板（２０１）の圧力感知シリコンウェハ（２０４）のランドに対応する位置にチャネルが開けられており、当該貫通穴の穴内壁面及び上下縁に、導電層（２０６）が設置されており、当該小さい穴内に、導電性接着剤（２０５）が充填されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
5. 蓋板（２０１）内に貫通のコード（２０７）が設けられ、圧力感知シリコンウェハ（２０４）のランドは、コード（２０７）に繋げられている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
6. 蓋板（２０１）のトップ部には、回路が設置されており、当該回路は信号制御回路チップ（２０８）に電気的に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
7. 圧力感知シリコンウェハ（２０４）のトップ部と蓋板（２０１）のボトム部の間には、サポートスペーサー（２０９）が設けられており、当該サポートスペーサー（２０９）は、圧力感知シリコンウェハ（２０４）のトップ部又は蓋板（２０１）のボトム部に設置され、且つ圧力感知シリコンウェハ（２０４）の中心変化域（２１０）の外郭にある、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
8. パッキンシール（２０３）は、フレキシブル材料で製作されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のシリコン圧力センサーのパッケージ構造。
   

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