半導体圧力センサ及びこれを実装した回路基板
【課題】正確な圧力測定を行うことができる半導体圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体圧力センサ１は、半導体基板１０と、半導体基板１０の一部を薄肉に形成したダイアフラム１３と、ダイアフラム１３に形成された圧電素子２０ａ〜２０ｄと、半導体基板１０上に配置され、電圧素子２０ａ〜２０ｄに電気的に接続された複数のパッド４０ａ〜４０ｄと、複数のパッド４０ａ〜４０ｄに電気的に接続された複数の半田バンプ５０ａ〜５０ｄと、を備え、複数の半田バンプ５０ａ〜５０ｄは、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士を結ぶ仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃがダイアフラム１３上を通過しないように、半導体基板１０上に配置されている。
【解決手段】半導体圧力センサ１は、半導体基板１０と、半導体基板１０の一部を薄肉に形成したダイアフラム１３と、ダイアフラム１３に形成された圧電素子２０ａ〜２０ｄと、半導体基板１０上に配置され、電圧素子２０ａ〜２０ｄに電気的に接続された複数のパッド４０ａ〜４０ｄと、複数のパッド４０ａ〜４０ｄに電気的に接続された複数の半田バンプ５０ａ〜５０ｄと、を備え、複数の半田バンプ５０ａ〜５０ｄは、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士を結ぶ仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃがダイアフラム１３上を通過しないように、半導体基板１０上に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体圧力センサ及びこれを実装した回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板と、半導体基板に形成されたダイアフラム部と、ダイアフラム部上に配置された感圧素子と、を備えた圧力センサを、当該ダイアフラム部の周囲に配置された複数のバンプを介して実装基板に直接接続した圧力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。）。
【０００３】
この圧力センサは、ダイアフラム部の歪みに応じた感圧素子の抵抗値の変化を電気信号として取り出すことにより、ダイアフラム部に印加された圧力を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４０２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の圧力センサでは、半導体基板と実装基板との間に熱膨張差が生じると、複数のバンプを介して半導体基板に応力が伝達され、複数のバンプに囲まれたダイアフラム部が歪んでしまい、正確な圧力測定をすることができないという問題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、正確な圧力測定を行うことが可能な半導体圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体圧力センサは、回路基板に実装される半導体圧力センサであって、半導体基板と、前記半導体基板の一部を薄肉に形成したダイアフラムと、前記ダイアフラムに形成された圧電素子と、前記半導体基板上に配置され、前記電圧素子に電気的に接続された複数のパッドと、複数の前記パッドに電気的に接続された複数の半田バンプと、を備え、複数の前記半田バンプは、前記半田バンプ同士を結ぶ仮想直線が前記ダイアフラム上を通過しないように、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする。
【０００８】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、前記半導体基板の一辺と、前記ダイアフラムの外縁上において前記一辺に対し最も近い点を通過し、且つ前記一辺と実質的に平行な直線と、の間の領域に配置されていてもよい。
【０００９】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、複数列に配置されていてもよい。
【００１０】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、一列に配置されていてもよい。
【００１１】
上記発明において、前記半導体基板は、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板であり、複数の前記圧電素子は、結晶方位＜１１０＞と実質的に平行に配置され、複数の前記半田バンプは、結晶方位＜１００＞の方向に沿って配置されていてもよい。
【００１２】
上記発明において、前記半導体基板上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記パッドと前記半田バンプを電気的に接続する配線と、を備え、前記絶縁層は、前記ダイアフラムを露出させる第１の開口と、複数の前記パッドをそれぞれ露出させる複数の第２の開口と、を有し、前記配線は、前記第２の開口を通じて前記パッドと接続し、前記半田バンプは、平面視において、前記パッドと異なる位置に配置されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る回路基板は、上記の半導体圧力センサを実装した回路基板であって、前記半導体圧力センサは、複数の前記半田バンプにより前記回路基板と直接接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半田バンプ同士を結ぶ仮想直線がダイアフラム上を通過しないように、複数の半田バンプを半導体基板上に配置するので、回路基板と半導体基板との間に熱膨張差が生じても、ダイアフラムが歪み難くなり、半導体圧力センサを回路基板に直接接続した場合においても正確な圧力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサを実装した回路基板を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図３】図３は、図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサの回路図である。
【図５】図５は、図３のV−V線に沿った断面図である。
【図６】図６は、図１のVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図８】図８は、図７のVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの第１変形例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの第２変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
<<第１実施形態>>
図１は本実施形態における半導体圧力センサを実装した回路基板を示す斜視図、図２は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図３は図２のIII−III線に沿った断面図、図４は本実施形態における半導体圧力センサの回路図、図５は図３のV−V線に沿った断面図である。
【００１７】
本実施形態における半導体圧力センサ１は、圧電素子２０ａ〜２０ｄ（後述）のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出するセンサであり、図１に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ（後述）を介して回路基板２に表面実装したＣＳＰ（Chip Size Package）にして、携帯電話等の小型の電子機器に組み込むことができる。
【００１８】
半導体圧力センサ１は、図２〜図５に示すように、半導体基板１０と、圧電素子２０ａ〜２０ｄと、第１の配線３０と、パッド４０ａ〜４０ｄと、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと、第１の絶縁層６０と、を備えている。
【００１９】
半導体基板１０は、図２に示すように、板状の半導体であり、平面視において矩形となっている。この半導体基板１０は、例えばシリコン結晶にリン（Ｐ）を添加したｎ型シリコン基板で構成されている。この半導体基板１０は、面方位が（１１０）であり、図中のＸ方向が結晶方位＜１００＞と実質的に一致し、図中のＹ方向が結晶方位＜１１０＞と実質的に一致している。
【００２０】
半導体基板１０は、図２及び図３に示すように、中空部１１と、ダイアフラム１３と、を有している。中空部１１は、半導体基板１０の内部に形成された空洞であり、減圧された状態で密閉されている。この中空部１１は、例えばサーフェスマイクロマシニング技術やシリコンウェハの直接接合技術により形成される。中空部１１は、平面視において半導体基板１０の略中央部分に位置し、矩形となっている。また、中空部１１は、側面視において半導体基板１０の主面１２の直下に形成されている。
【００２１】
ダイアフラム１３は、半導体基板１０の主面１２において中空部１１が形成された領域であり、中空部１１によって厚さが数μｍの薄肉に形成されている。このダイアフラム１３は、中空部１１内の気圧を基準圧とし、外部から圧力を受けることで歪むようになっている。ここで、中空部１１が平面視において矩形となっているので、ダイアフラム１３も一辺１３ａ〜１３ｄに囲まれた矩形となっている。なお、中空部１１及びダイアフラム１３を、六角形や円形に形成してもよく、特に限定されない。
【００２２】
ここで、本実施形態における半導体圧力センサ１は、中空部１１内が減圧されており、基準圧が略真空である絶対圧センサとなっている。なお、半導体圧力センサ１を、基準圧を大気圧とするゲージ圧センサとしてもよい。この場合には、半導体基板１０に、外部と中空部１１を連通する貫通孔を形成する。
【００２３】
圧電素子２０ａ〜２０ｄは、ダイアフラム１３において部分的に拡散形成されたｐ型半導体で構成されており、ピエゾ抵抗効果によりダイアフラム１３の歪みに応じて電気抵抗が変化するようになっている。ここで、ダイアフラムに歪みが生じていない状態での圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗値は、何れもＲであり、同一の電気抵抗値となっている。なお、本実施形態における半導体圧力センサ１では、４つの圧電素子２０ａ〜２０ｄを有しているが、特に限定されず、例えばｓｈｅａｒ型のように、圧電素子を１つだけ設けてもよい。
【００２４】
これらの圧電素子２０ａ〜２０ｄは、図２に示すように、長手方向が結晶方位＜１１０＞（図中Ｙ方向）と実質的に平行となるように形成されている。このうち圧電素子２０ａ,２０ｃは、ダイアフラム１３の中央部分で、ダイアフラム１３における図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹを軸として対称となるように形成されている。圧電素子２０ａが中心線ＣＬＹに対して図中左側に位置し、圧電素子２０ｃが中心線ＣＬＹに対して図中右側に位置している。このように配置された圧電素子２０ａ,２０ｃの電気抵抗変化ΔＲ１は、以下の（１）式で表すことができる。
【００２５】
【数１】
なお、上記（１）式において、π４４はピエゾ抵抗係数であり、σｒは図２中のＹ方向の応力である。
【００２６】
一方、圧電素子２０ｂ,２０ｄは、ダイアフラム１３において、図２中の中心線ＣＬＹ上で一列となるように形成されている。圧電素子２０ｂは、ダイアフラム１３において、中央部分に対して一辺１３ｂ寄りに位置し、圧電素子２０ｄは、ダイアフラム１３において、中央部分に対して一辺１３ｄ寄りに位置している。このように配置された圧電素子２０ｂ,２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ２は、以下の（２）式で表すことができる。
【００２７】
【数２】
なお、上記（２）式において、π４４はピエゾ抵抗係数であり、σｒは図２中のＹ方向の応力である。
【００２８】
上記（１）式及び（２）式が示すように、圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２は、図２中Ｙ方向の応力に依存し、図２中Ｘ方向の応力の影響を受け難くなっている。このため、半導体圧力センサ１は、図２中Ｙ方向の応力（圧力）のみを検出するようになっている。
【００２９】
第１の配線３０は、図４に示すように、ホイートストーンブリッジを形成するように圧電素子２０ａ〜２０ｄ間を電気的に接続し、且つ圧電素子２０ａ〜２０ｄと、パッド４０ａ〜４０ｄ（後述）と、の間をそれぞれ電気的に接続している。この第１の配線３０は、図５に示すように、半導体基板１０の主面１２上に形成された導電性のラインであり、圧電素子２０ａ〜２０ｄ間及び圧電素子２０ａ〜２０ｄとパッド４０ａ〜４０ｄとの間を接続している。この第１の配線３０は、例えば半導体基板１０上に積層したアルミニウムをエッチングすることで形成されている。
【００３０】
パッド４０ａ〜４０ｄは、半導体圧力センサ１を外部電源（不図示）に電気的に接続するため、及び第１の配線３０を介して圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２を外部検出器（不図示）に出力するための電極である。例えば、パッド４０ａ,４０ｃが一定電圧又は一定電流の入出力電極であり、パッド４０ｂ,４０ｄが圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２を出力するための検出用電極である。
【００３１】
このパッド４０ａ〜４０ｄは、図５に示すように、第１の配線３０と接続している矩形のパターンとなっており、例えばアルミニウムで構成されている。このパッド４０ａ〜４０ｄは、第１の配線３０と同様に、半導体基板１０上に積層したアルミニウムをエッチングすることで形成されている。なお、パッド４０ａ〜４０ｄの形状は、円形であってよい。また、これらのパッド４０ａ〜４０ｄの配置は、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと同様になっており、以下に詳しく述べる。
【００３２】
半田バンプ５０ａ〜５０ｄは、導体圧力センサ１と回路基板２を直接接続するために設けられた瘤状の半田（solder）であり、パッド４０ａ〜４０ｄ上に設けられている。これらの半田バンプ５０ａ〜５０ｄ（パッド４０ａ〜４０ｄ）は、図２に示すように、半導体基板１０の図中Ｙ方向下側の領域Ｂに、図中Ｘ方向（結晶方位＜１００＞）に沿って一列に配置されている。この領域Ｂは、半導体基板１０の一辺１２ｂと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０の一辺１２ｂに対し最も近い点Ｐ１を通過し、且つ半導体基板１０の一辺１２ｂと実質的に平行な直線Ｌ１と、の間の領域である。
【００３３】
ここで、半田バンプ５０ａ〜５０ｄの全てが領域Ｂに配置されているので、半田バンプ５０ａ,５０ｂ間を結ぶ仮想直線Ｌａと、半田バンプ５０ｂ,５０ｃ間を結ぶ仮想直線Ｌｂと、半田バンプ５０ｃ,５０ｄ間を結ぶ仮想直線Ｌｃと、の何れもがダイアフラム１３の外側（領域Ｂ）を通過するようになっており、ダイアフラム１３上を通過しないようになっている。
【００３４】
また、半田バンプ５０ａ,５０ｂ間の距離ｌ１、半田バンプ５０ｂ,５０ｃ間の距離ｌ２及び半田バンプ５０ｃ,５０ｄ間の距離ｌ３は、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが半導体基板１０の四隅に配置されている場合と比較して、相対的に短い距離となっている。
【００３５】
第１の絶縁層６０は、図３に示すように、第１の配線３０を覆うように半導体基板１０の主面１２上に積層され、第１の配線３０を絶縁保護している。第１の絶縁層６０は、例えばエポキシ系樹脂をスクリーン印刷することで形成される。
【００３６】
図２に戻って、第１の絶縁層６０は、ダイアフラム１３を露出させる第１の開口６１と、パッド４０ａ〜４０ｄを露出させる第２の開口６２と、を有している。第１の開口６１は、半導体基板１０の主面１２の中央部分に形成され、ダイアフラム１３の外縁よりも若干大きい貫通孔によって構成されている。第２の開口６２は、パッド４０ａ〜４０ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄと対応する位置に形成され、パッド４０ａ〜４０ｄよりも小さい円形の貫通孔によって構成されている。この第２の開口６２によって、パッド４０ａ〜４０ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄが第１の絶縁層６０から露出し、圧電素子２０ａ〜２０ｄと回路基板２と間の電気的接続が確保される。
【００３７】
図６は図１のVI−VI線に沿った断面図である。
【００３８】
以上のように構成される半導体圧力センサ１は、図１及び図６に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して、回路基板２に表面実装される。
【００３９】
回路基板２は、ガラスエポキシで構成される基板であり、表面に電気回路パターン（不図示）が形成されている。なお、回路基板２を、シリコン(silicon)で構成してもよい。この回路基板２には、半導体圧力センサ１の半田バンプ５０ａ〜５０ｄの配置に対応するように電極２１が設けられている。この電極２１と半田バンプ５０ａ〜５０ｄを接触させた状態で、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを溶融固化することで、半導体圧力センサ１が回路基板２に直接接続される。
【００４０】
このようにして回路基板２に直接接続された半導体圧力センサ１では、外部からの加熱や回路基板１自体の発熱によって、回路基板２との間に熱膨張差が生じると、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して半導体基板１０に応力Ｆ１が伝達される。また、電子機器に回路基板２を組み込む際に、回路基板２に外力Ｆ２が印加されると、この外力Ｆ２も半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して半導体基板１０に伝達される。ここで、半導体基板１０では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間で、このような応力Ｆ１や外力Ｆ２の影響を受けやすい傾向にある。これにより、薄肉部分であるダイアフラム１３が歪んでしまい、圧電素子２０ａ〜２０ｄが意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２を検出し、オフセット値が変動してしまうことがある。
【００４１】
これに対し、本実施形態における半導体圧力センサ１では、図２に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士を結ぶ仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃが前記ダイアフラム１３上を通過しないようになっている（仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃがダイアフラム１３の外側を通過する）ので、ダイアフラム１３が半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士の間に位置しなくなり、ダイアフラム１３が応力Ｆ１及び外力Ｆ２の影響を受け難くなっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、同図に示すように、半導体基板１０の一辺１２ｂと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０の一辺１２ｂに対し最も近い点Ｐ１を通過し、且つ半導体基板１０の一辺１２ｂと実質的に平行な直線Ｌ１と、の間の領域Ｂに、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが配置されているので、応力Ｆ１及び外力Ｆ２は、領域Ｂに作用し、ダイアフラム１３には作用し難くなっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４３】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、同図に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが図中Ｘ方向に一列に配置されているので、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間に生じる応力Ｆ１及び外力Ｆ２は、図中Ｘ方向のみに作用し、図中Ｙ方向には作用しないようになっている。このため、本実施形態の半導体圧力センサ１では、図中Ｙ方向におけるダイアフラム１３の歪みが抑制され、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、半導体基板１０に、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板を用い、圧電素子２０ａ〜２０ｄを結晶方位＜１１０＞と実施的に平行に配置したので、上記（１）式及び（２）に示すように、圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２が結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）の応力の影響を受け難くなっている。さらに本実施形態における半導体圧力センサ１では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを、この結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）に沿って一列に配置したので、応力Ｆ１及び外力Ｆ２がダイアフラム１３に伝達されても、ダイアフラム１３の歪み方向は、結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）に沿うようになっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４５】
ここで、半導体基板１０（ダイアフラム１３）では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間の距離ｌ１,ｌ２,ｌ３が長くなる程、応力Ｆ１及び外力Ｆ２の影響が大きくなる傾向にある。
【００４６】
これに対し、本実施形態における半導体圧力センサ１では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間の距離ｌ１,ｌ２,ｌ３が、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを半導体基板１０の四隅に配置した場合と比較して相対的に短くなっており、応力Ｆ１や外力Ｆ２によるダイアフラム１３への影響が低減されている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４７】
<<第２実施形態>>
図７は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図８は図７のVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。
【００４８】
本実施形態における半導体圧力センサ１ａでは、パッド４１ａ〜４１ｄの配置と、第２の配線７０ａ〜７０ｄ及び第２の絶縁層８０を備えている点で第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は同様である。以下に、第１実施形態と相違する点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
パッド４１ａ〜４１ｄは、図７及び図８に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと異なる位置に配置されている。パッド４１ａ,４１ｂは、ダイアフラム１３の図７中左側に配置され、パッド４１ｃ,４１ｄは、ダイアフラム１３の図７中右側に配置されている。なお、パッド４１ａ〜４１ｄは、第１実施形態と同様に、第１の配線３０を介して圧電素子２０ａ〜２０ｄと電気的に接続しており、第１の絶縁層６０の第２の開口６２により第１の絶縁層６０から露出している。
【００５０】
第２の配線７０ａ〜７０ｄは、第１の絶縁層６０上に形成された導電性のラインであり、これらの第２の配線７０ａ〜７０ｄは、例えば銅ペーストをスクリーン印刷し、硬化させることで形成される。なお、第２の配線７０ａ〜７０ｄを、銀ペーストやカーボンペースト等で構成してもよい。これらの第２の配線７０ａ〜７０ｄにおいて、図７に示すように、第２の配線７０ａがパッド４１ａと半田バンプ５０ｂとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｂがパッド４１ｂと半田バンプ５０ａとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｃがパッド４１ｄと半田バンプ５０ｃとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｄがパッド４１ｃと半田バンプ５０ｄとの間を電気的に接続している。
【００５１】
第２の配線７０ａ〜７０ｄは、図７及び図８に示すように、第１の端部７１ａ〜７１ｄと、第２の端部７２ａ〜７２ｄと、をそれぞれ有している。第１の端部７１ａ〜７１ｄは、第１の絶縁層６０における第２の開口６２を介してパッド４１ａ〜４１ｄとそれぞれ接続している。第２の端部７２ａ〜７２ｄは、第２の絶縁層８０の第４の開口８２（後述）を介して半田バンプ５０ａ〜５０ｄとそれぞれ接続している。なお、この第２の端部７２ａ〜７２ｄは、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが載置されるのに十分な大きさの円形パターンとなっている。
【００５２】
第２の絶縁層８０は、第２の配線７０ａ〜７０ｄを覆うように第１の絶縁層６０上に積層され、第２の配線７０ａ〜７０ｄを絶縁保護している。第２の絶縁層８０は、例えばエポキシ系樹脂をスクリーン印刷することで形成される。
【００５３】
この第２の絶縁層８０には、ダイアフラム１３を露出させる第３の開口８１と、第２の端部７２ａ〜７２ｄを露出させる第４の開口８２と、を有している。第３の開口８１は、半導体基板１０の主面１２の中央部分に形成され、第１の絶縁層６０の第１の開口６１と連通し、且つダイアフラム１３の外縁よりも若干大きい貫通孔によって構成されている。第４の開口８２は、第２の配線７０ａ〜７０ｄの第２の端部７２ａ〜７２ｄと対応する位置に形成され、第２の端部７２ａ〜７２ｄよりも小さい円形の貫通孔によって構成されている。この第４の開口８２によって、第２の端部７２ａ〜７２ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄが第２の絶縁層８０から露出し、圧電素子２０ａ〜２０ｄと回路基板２と間の電気的接続が確保される。
【００５４】
このように、本実施形態における半導体圧力センサ１ａは、パッド４１ａ〜４１ｄと半田バンプ５０ａ〜５０ｄを電気的に接続する第２の配線７０ａ〜７０ｄを備えているので、パッド４１ａ〜４１ｄの配置に係わらず、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを所望の位置に配置させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態における第１の絶縁層６０が本発明における絶縁層の一例に相当し、本実施形態における第２の配線７０が本発明における配線の一例に相当する。
【００５６】
<<第３実施形態>>
図９は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図１０は本実施形態における半導体圧力センサの第１変形例を示す平面図、図１１は本実施形態における半導体圧力センサの第２変形例を示す平面図である。
【００５７】
本実施形態における半導体圧力センサ１ｂでは、半導体基板１０ａと、圧電素子２１ａ〜２１ｄの配置と、パッドの配置と、半田バンプ５１ａ〜５１ｄの配置と、において第１実施形態と相違しているが、それ以外の構成については第１実施形態と同様である。以下に、第１実施形態と相違する点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
本実施形態における半導体圧力センサ１ｂの半導体基板１０ａは、図９に示すように、面方位（１００）のｎ型シリコン基板であり、図中Ｘ方向が結晶方位＜１１０＞と実施的に一致し、図中Ｙ方向が結晶方位＜１１０＞と実施的に一致している。
【００５９】
圧電素子２１ａ〜２１ｄは、同図に示すように、長手方向が図中Ｙ方向と実質的に平行となるように形成されている。このうち圧電素子２１ａは、ダイアフラム１３において図中Ｘ方向の中心線ＣＬＸ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ａと接するように配置されている。圧電素子２１ｂは、ダイアフラム１３において図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｂと接するように配置されている。圧電素子２１ｃは、ダイアフラム１３において図中Ｘ方向の中心線ＣＬＸ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｃと接するように配置されている。圧電素子２１ｄは、ダイアフラム１３において図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｄと接するように配置されている。
【００６０】
半田バンプ５１ａ〜５１ｄ及びパッド（不図示）は、領域Ｂにおいてマトリックス状に配置されている。なお、図１０に示すように、半田バンプ５２ａ〜５２ｄ及びパッド（不図示）を、２列に配置してもよい。また、半田バンプ及びパッドがそれぞれ５つ以上設けられている場合には、半田バンプ及びパッドを３列以上の複数例に配置してもよい。このように、半田バンプ５１ａ〜５１ｄを複数列に配置することで、半導体圧力センサ１ｂを回路基板２に実装する際の機械的な安定性が向上する。
【００６１】
また、図１１に示すように、半田バンプ５３ａ〜５３ｄ及びパッド（不図示）を、半導体基板１０ａの一辺１２ｃと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０ａの一辺１２ｃに対し最も近い点Ｐ２を通過し、且つ半導体基板１０ａの一辺１２ｃと実質的に平行な直線Ｌ２と、の間の領域Ｃに、配置してもよい。このように、半田バンプ５３ａ〜５３ｄを、領域Ｃに配置することで、第１実施形態と同様に、半田バンプ５３ａ〜５３ｄを介して伝達される応力Ｆ１や外力Ｆ２がダイアフラム１３に作用し難くなる。このため、半導体圧力センサ１ｂでは、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００６２】
また、本実施形態では、半田バンプ５１ａ,５１bを結ぶ仮想直線Ｌａと、半田バンプ５１ｂ,５１ｃを結ぶ仮想直線Ｌｂと、半田バンプ５１ｃ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｃと、半田バンプ５１ａ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｄと、半田バンプ５１ａ,５１ｃを結ぶ仮想直線Ｌｅ及び半田バンプ５１ｂ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｆの何れもがダイアフラム１３上を通過しないように、半田バンプ５１ａ〜５１ｄが半導体基板１０ａ上に配置されている。このため、半田バンプ５１ａ〜５１ｄを介して伝達される応力Ｆ１及び外力Ｆ２がダイアフラム１３に作用し難くなっている。このため、本実施形態における半導体圧力センサ１ｂでは、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００６３】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００６４】
１,１ａ,１ｂ…半導体圧力センサ
１０,１０ａ…半導体基板
１１…中空部
１２…主面
１２ｂ,１２ｃ…一辺
１３…ダイアフラム
１３ａ〜１３ｄ…一辺
２０ａ〜２０ｄ…圧電素子
３０…第１の配線
４０ａ〜４０ｄ…パッド
５０ａ〜５０ｄ…半田バンプ
６０…第１の絶縁層
６１…第１の開口
６２…第２の開口
７０ａ〜７０ｄ…第２の配線
７１ａ〜７１ｄ…第１の端部
７２ａ〜７２ｄ…第２の端部
８０…第２の絶縁層
８１…第３の開口
８２…第４の開口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体圧力センサ及びこれを実装した回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板と、半導体基板に形成されたダイアフラム部と、ダイアフラム部上に配置された感圧素子と、を備えた圧力センサを、当該ダイアフラム部の周囲に配置された複数のバンプを介して実装基板に直接接続した圧力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。）。
【０００３】
この圧力センサは、ダイアフラム部の歪みに応じた感圧素子の抵抗値の変化を電気信号として取り出すことにより、ダイアフラム部に印加された圧力を検出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４０２５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の圧力センサでは、半導体基板と実装基板との間に熱膨張差が生じると、複数のバンプを介して半導体基板に応力が伝達され、複数のバンプに囲まれたダイアフラム部が歪んでしまい、正確な圧力測定をすることができないという問題があった。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、正確な圧力測定を行うことが可能な半導体圧力センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る半導体圧力センサは、回路基板に実装される半導体圧力センサであって、半導体基板と、前記半導体基板の一部を薄肉に形成したダイアフラムと、前記ダイアフラムに形成された圧電素子と、前記半導体基板上に配置され、前記電圧素子に電気的に接続された複数のパッドと、複数の前記パッドに電気的に接続された複数の半田バンプと、を備え、複数の前記半田バンプは、前記半田バンプ同士を結ぶ仮想直線が前記ダイアフラム上を通過しないように、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする。
【０００８】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、前記半導体基板の一辺と、前記ダイアフラムの外縁上において前記一辺に対し最も近い点を通過し、且つ前記一辺と実質的に平行な直線と、の間の領域に配置されていてもよい。
【０００９】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、複数列に配置されていてもよい。
【００１０】
上記発明において、複数の前記半田バンプは、一列に配置されていてもよい。
【００１１】
上記発明において、前記半導体基板は、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板であり、複数の前記圧電素子は、結晶方位＜１１０＞と実質的に平行に配置され、複数の前記半田バンプは、結晶方位＜１００＞の方向に沿って配置されていてもよい。
【００１２】
上記発明において、前記半導体基板上に積層された絶縁層と、前記絶縁層上に形成され、前記パッドと前記半田バンプを電気的に接続する配線と、を備え、前記絶縁層は、前記ダイアフラムを露出させる第１の開口と、複数の前記パッドをそれぞれ露出させる複数の第２の開口と、を有し、前記配線は、前記第２の開口を通じて前記パッドと接続し、前記半田バンプは、平面視において、前記パッドと異なる位置に配置されていてもよい。
【００１３】
本発明に係る回路基板は、上記の半導体圧力センサを実装した回路基板であって、前記半導体圧力センサは、複数の前記半田バンプにより前記回路基板と直接接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、半田バンプ同士を結ぶ仮想直線がダイアフラム上を通過しないように、複数の半田バンプを半導体基板上に配置するので、回路基板と半導体基板との間に熱膨張差が生じても、ダイアフラムが歪み難くなり、半導体圧力センサを回路基板に直接接続した場合においても正確な圧力測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサを実装した回路基板を示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図３】図３は、図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態における半導体圧力センサの回路図である。
【図５】図５は、図３のV−V線に沿った断面図である。
【図６】図６は、図１のVI−VI線に沿った断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図８】図８は、図７のVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。
【図９】図９は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの平面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの第１変形例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３実施形態における半導体圧力センサの第２変形例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
<<第１実施形態>>
図１は本実施形態における半導体圧力センサを実装した回路基板を示す斜視図、図２は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図３は図２のIII−III線に沿った断面図、図４は本実施形態における半導体圧力センサの回路図、図５は図３のV−V線に沿った断面図である。
【００１７】
本実施形態における半導体圧力センサ１は、圧電素子２０ａ〜２０ｄ（後述）のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検出するセンサであり、図１に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ（後述）を介して回路基板２に表面実装したＣＳＰ（Chip Size Package）にして、携帯電話等の小型の電子機器に組み込むことができる。
【００１８】
半導体圧力センサ１は、図２〜図５に示すように、半導体基板１０と、圧電素子２０ａ〜２０ｄと、第１の配線３０と、パッド４０ａ〜４０ｄと、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと、第１の絶縁層６０と、を備えている。
【００１９】
半導体基板１０は、図２に示すように、板状の半導体であり、平面視において矩形となっている。この半導体基板１０は、例えばシリコン結晶にリン（Ｐ）を添加したｎ型シリコン基板で構成されている。この半導体基板１０は、面方位が（１１０）であり、図中のＸ方向が結晶方位＜１００＞と実質的に一致し、図中のＹ方向が結晶方位＜１１０＞と実質的に一致している。
【００２０】
半導体基板１０は、図２及び図３に示すように、中空部１１と、ダイアフラム１３と、を有している。中空部１１は、半導体基板１０の内部に形成された空洞であり、減圧された状態で密閉されている。この中空部１１は、例えばサーフェスマイクロマシニング技術やシリコンウェハの直接接合技術により形成される。中空部１１は、平面視において半導体基板１０の略中央部分に位置し、矩形となっている。また、中空部１１は、側面視において半導体基板１０の主面１２の直下に形成されている。
【００２１】
ダイアフラム１３は、半導体基板１０の主面１２において中空部１１が形成された領域であり、中空部１１によって厚さが数μｍの薄肉に形成されている。このダイアフラム１３は、中空部１１内の気圧を基準圧とし、外部から圧力を受けることで歪むようになっている。ここで、中空部１１が平面視において矩形となっているので、ダイアフラム１３も一辺１３ａ〜１３ｄに囲まれた矩形となっている。なお、中空部１１及びダイアフラム１３を、六角形や円形に形成してもよく、特に限定されない。
【００２２】
ここで、本実施形態における半導体圧力センサ１は、中空部１１内が減圧されており、基準圧が略真空である絶対圧センサとなっている。なお、半導体圧力センサ１を、基準圧を大気圧とするゲージ圧センサとしてもよい。この場合には、半導体基板１０に、外部と中空部１１を連通する貫通孔を形成する。
【００２３】
圧電素子２０ａ〜２０ｄは、ダイアフラム１３において部分的に拡散形成されたｐ型半導体で構成されており、ピエゾ抵抗効果によりダイアフラム１３の歪みに応じて電気抵抗が変化するようになっている。ここで、ダイアフラムに歪みが生じていない状態での圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗値は、何れもＲであり、同一の電気抵抗値となっている。なお、本実施形態における半導体圧力センサ１では、４つの圧電素子２０ａ〜２０ｄを有しているが、特に限定されず、例えばｓｈｅａｒ型のように、圧電素子を１つだけ設けてもよい。
【００２４】
これらの圧電素子２０ａ〜２０ｄは、図２に示すように、長手方向が結晶方位＜１１０＞（図中Ｙ方向）と実質的に平行となるように形成されている。このうち圧電素子２０ａ,２０ｃは、ダイアフラム１３の中央部分で、ダイアフラム１３における図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹを軸として対称となるように形成されている。圧電素子２０ａが中心線ＣＬＹに対して図中左側に位置し、圧電素子２０ｃが中心線ＣＬＹに対して図中右側に位置している。このように配置された圧電素子２０ａ,２０ｃの電気抵抗変化ΔＲ１は、以下の（１）式で表すことができる。
【００２５】
【数１】
なお、上記（１）式において、π４４はピエゾ抵抗係数であり、σｒは図２中のＹ方向の応力である。
【００２６】
一方、圧電素子２０ｂ,２０ｄは、ダイアフラム１３において、図２中の中心線ＣＬＹ上で一列となるように形成されている。圧電素子２０ｂは、ダイアフラム１３において、中央部分に対して一辺１３ｂ寄りに位置し、圧電素子２０ｄは、ダイアフラム１３において、中央部分に対して一辺１３ｄ寄りに位置している。このように配置された圧電素子２０ｂ,２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ２は、以下の（２）式で表すことができる。
【００２７】
【数２】
なお、上記（２）式において、π４４はピエゾ抵抗係数であり、σｒは図２中のＹ方向の応力である。
【００２８】
上記（１）式及び（２）式が示すように、圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２は、図２中Ｙ方向の応力に依存し、図２中Ｘ方向の応力の影響を受け難くなっている。このため、半導体圧力センサ１は、図２中Ｙ方向の応力（圧力）のみを検出するようになっている。
【００２９】
第１の配線３０は、図４に示すように、ホイートストーンブリッジを形成するように圧電素子２０ａ〜２０ｄ間を電気的に接続し、且つ圧電素子２０ａ〜２０ｄと、パッド４０ａ〜４０ｄ（後述）と、の間をそれぞれ電気的に接続している。この第１の配線３０は、図５に示すように、半導体基板１０の主面１２上に形成された導電性のラインであり、圧電素子２０ａ〜２０ｄ間及び圧電素子２０ａ〜２０ｄとパッド４０ａ〜４０ｄとの間を接続している。この第１の配線３０は、例えば半導体基板１０上に積層したアルミニウムをエッチングすることで形成されている。
【００３０】
パッド４０ａ〜４０ｄは、半導体圧力センサ１を外部電源（不図示）に電気的に接続するため、及び第１の配線３０を介して圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２を外部検出器（不図示）に出力するための電極である。例えば、パッド４０ａ,４０ｃが一定電圧又は一定電流の入出力電極であり、パッド４０ｂ,４０ｄが圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２を出力するための検出用電極である。
【００３１】
このパッド４０ａ〜４０ｄは、図５に示すように、第１の配線３０と接続している矩形のパターンとなっており、例えばアルミニウムで構成されている。このパッド４０ａ〜４０ｄは、第１の配線３０と同様に、半導体基板１０上に積層したアルミニウムをエッチングすることで形成されている。なお、パッド４０ａ〜４０ｄの形状は、円形であってよい。また、これらのパッド４０ａ〜４０ｄの配置は、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと同様になっており、以下に詳しく述べる。
【００３２】
半田バンプ５０ａ〜５０ｄは、導体圧力センサ１と回路基板２を直接接続するために設けられた瘤状の半田（solder）であり、パッド４０ａ〜４０ｄ上に設けられている。これらの半田バンプ５０ａ〜５０ｄ（パッド４０ａ〜４０ｄ）は、図２に示すように、半導体基板１０の図中Ｙ方向下側の領域Ｂに、図中Ｘ方向（結晶方位＜１００＞）に沿って一列に配置されている。この領域Ｂは、半導体基板１０の一辺１２ｂと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０の一辺１２ｂに対し最も近い点Ｐ１を通過し、且つ半導体基板１０の一辺１２ｂと実質的に平行な直線Ｌ１と、の間の領域である。
【００３３】
ここで、半田バンプ５０ａ〜５０ｄの全てが領域Ｂに配置されているので、半田バンプ５０ａ,５０ｂ間を結ぶ仮想直線Ｌａと、半田バンプ５０ｂ,５０ｃ間を結ぶ仮想直線Ｌｂと、半田バンプ５０ｃ,５０ｄ間を結ぶ仮想直線Ｌｃと、の何れもがダイアフラム１３の外側（領域Ｂ）を通過するようになっており、ダイアフラム１３上を通過しないようになっている。
【００３４】
また、半田バンプ５０ａ,５０ｂ間の距離ｌ１、半田バンプ５０ｂ,５０ｃ間の距離ｌ２及び半田バンプ５０ｃ,５０ｄ間の距離ｌ３は、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが半導体基板１０の四隅に配置されている場合と比較して、相対的に短い距離となっている。
【００３５】
第１の絶縁層６０は、図３に示すように、第１の配線３０を覆うように半導体基板１０の主面１２上に積層され、第１の配線３０を絶縁保護している。第１の絶縁層６０は、例えばエポキシ系樹脂をスクリーン印刷することで形成される。
【００３６】
図２に戻って、第１の絶縁層６０は、ダイアフラム１３を露出させる第１の開口６１と、パッド４０ａ〜４０ｄを露出させる第２の開口６２と、を有している。第１の開口６１は、半導体基板１０の主面１２の中央部分に形成され、ダイアフラム１３の外縁よりも若干大きい貫通孔によって構成されている。第２の開口６２は、パッド４０ａ〜４０ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄと対応する位置に形成され、パッド４０ａ〜４０ｄよりも小さい円形の貫通孔によって構成されている。この第２の開口６２によって、パッド４０ａ〜４０ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄが第１の絶縁層６０から露出し、圧電素子２０ａ〜２０ｄと回路基板２と間の電気的接続が確保される。
【００３７】
図６は図１のVI−VI線に沿った断面図である。
【００３８】
以上のように構成される半導体圧力センサ１は、図１及び図６に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して、回路基板２に表面実装される。
【００３９】
回路基板２は、ガラスエポキシで構成される基板であり、表面に電気回路パターン（不図示）が形成されている。なお、回路基板２を、シリコン(silicon)で構成してもよい。この回路基板２には、半導体圧力センサ１の半田バンプ５０ａ〜５０ｄの配置に対応するように電極２１が設けられている。この電極２１と半田バンプ５０ａ〜５０ｄを接触させた状態で、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを溶融固化することで、半導体圧力センサ１が回路基板２に直接接続される。
【００４０】
このようにして回路基板２に直接接続された半導体圧力センサ１では、外部からの加熱や回路基板１自体の発熱によって、回路基板２との間に熱膨張差が生じると、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して半導体基板１０に応力Ｆ１が伝達される。また、電子機器に回路基板２を組み込む際に、回路基板２に外力Ｆ２が印加されると、この外力Ｆ２も半田バンプ５０ａ〜５０ｄを介して半導体基板１０に伝達される。ここで、半導体基板１０では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間で、このような応力Ｆ１や外力Ｆ２の影響を受けやすい傾向にある。これにより、薄肉部分であるダイアフラム１３が歪んでしまい、圧電素子２０ａ〜２０ｄが意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２を検出し、オフセット値が変動してしまうことがある。
【００４１】
これに対し、本実施形態における半導体圧力センサ１では、図２に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士を結ぶ仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃが前記ダイアフラム１３上を通過しないようになっている（仮想直線Ｌａ,Ｌｂ,Ｌｃがダイアフラム１３の外側を通過する）ので、ダイアフラム１３が半田バンプ５０ａ〜５０ｄ同士の間に位置しなくなり、ダイアフラム１３が応力Ｆ１及び外力Ｆ２の影響を受け難くなっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４２】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、同図に示すように、半導体基板１０の一辺１２ｂと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０の一辺１２ｂに対し最も近い点Ｐ１を通過し、且つ半導体基板１０の一辺１２ｂと実質的に平行な直線Ｌ１と、の間の領域Ｂに、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが配置されているので、応力Ｆ１及び外力Ｆ２は、領域Ｂに作用し、ダイアフラム１３には作用し難くなっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４３】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、同図に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが図中Ｘ方向に一列に配置されているので、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間に生じる応力Ｆ１及び外力Ｆ２は、図中Ｘ方向のみに作用し、図中Ｙ方向には作用しないようになっている。このため、本実施形態の半導体圧力センサ１では、図中Ｙ方向におけるダイアフラム１３の歪みが抑制され、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４４】
また、本実施形態における半導体圧力センサ１では、半導体基板１０に、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板を用い、圧電素子２０ａ〜２０ｄを結晶方位＜１１０＞と実施的に平行に配置したので、上記（１）式及び（２）に示すように、圧電素子２０ａ〜２０ｄの電気抵抗変化ΔＲ１,ΔＲ２が結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）の応力の影響を受け難くなっている。さらに本実施形態における半導体圧力センサ１では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを、この結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）に沿って一列に配置したので、応力Ｆ１及び外力Ｆ２がダイアフラム１３に伝達されても、ダイアフラム１３の歪み方向は、結晶方位＜１００＞（図２中Ｘ方向）に沿うようになっている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４５】
ここで、半導体基板１０（ダイアフラム１３）では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間の距離ｌ１,ｌ２,ｌ３が長くなる程、応力Ｆ１及び外力Ｆ２の影響が大きくなる傾向にある。
【００４６】
これに対し、本実施形態における半導体圧力センサ１では、半田バンプ５０ａ〜５０ｄ間の距離ｌ１,ｌ２,ｌ３が、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを半導体基板１０の四隅に配置した場合と比較して相対的に短くなっており、応力Ｆ１や外力Ｆ２によるダイアフラム１３への影響が低減されている。このため、半導体圧力センサ１では、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００４７】
<<第２実施形態>>
図７は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図８は図７のVIII−VIII線に沿った拡大断面図である。
【００４８】
本実施形態における半導体圧力センサ１ａでは、パッド４１ａ〜４１ｄの配置と、第２の配線７０ａ〜７０ｄ及び第２の絶縁層８０を備えている点で第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は同様である。以下に、第１実施形態と相違する点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
パッド４１ａ〜４１ｄは、図７及び図８に示すように、半田バンプ５０ａ〜５０ｄと異なる位置に配置されている。パッド４１ａ,４１ｂは、ダイアフラム１３の図７中左側に配置され、パッド４１ｃ,４１ｄは、ダイアフラム１３の図７中右側に配置されている。なお、パッド４１ａ〜４１ｄは、第１実施形態と同様に、第１の配線３０を介して圧電素子２０ａ〜２０ｄと電気的に接続しており、第１の絶縁層６０の第２の開口６２により第１の絶縁層６０から露出している。
【００５０】
第２の配線７０ａ〜７０ｄは、第１の絶縁層６０上に形成された導電性のラインであり、これらの第２の配線７０ａ〜７０ｄは、例えば銅ペーストをスクリーン印刷し、硬化させることで形成される。なお、第２の配線７０ａ〜７０ｄを、銀ペーストやカーボンペースト等で構成してもよい。これらの第２の配線７０ａ〜７０ｄにおいて、図７に示すように、第２の配線７０ａがパッド４１ａと半田バンプ５０ｂとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｂがパッド４１ｂと半田バンプ５０ａとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｃがパッド４１ｄと半田バンプ５０ｃとの間を電気的に接続し、第２の配線７０ｄがパッド４１ｃと半田バンプ５０ｄとの間を電気的に接続している。
【００５１】
第２の配線７０ａ〜７０ｄは、図７及び図８に示すように、第１の端部７１ａ〜７１ｄと、第２の端部７２ａ〜７２ｄと、をそれぞれ有している。第１の端部７１ａ〜７１ｄは、第１の絶縁層６０における第２の開口６２を介してパッド４１ａ〜４１ｄとそれぞれ接続している。第２の端部７２ａ〜７２ｄは、第２の絶縁層８０の第４の開口８２（後述）を介して半田バンプ５０ａ〜５０ｄとそれぞれ接続している。なお、この第２の端部７２ａ〜７２ｄは、半田バンプ５０ａ〜５０ｄが載置されるのに十分な大きさの円形パターンとなっている。
【００５２】
第２の絶縁層８０は、第２の配線７０ａ〜７０ｄを覆うように第１の絶縁層６０上に積層され、第２の配線７０ａ〜７０ｄを絶縁保護している。第２の絶縁層８０は、例えばエポキシ系樹脂をスクリーン印刷することで形成される。
【００５３】
この第２の絶縁層８０には、ダイアフラム１３を露出させる第３の開口８１と、第２の端部７２ａ〜７２ｄを露出させる第４の開口８２と、を有している。第３の開口８１は、半導体基板１０の主面１２の中央部分に形成され、第１の絶縁層６０の第１の開口６１と連通し、且つダイアフラム１３の外縁よりも若干大きい貫通孔によって構成されている。第４の開口８２は、第２の配線７０ａ〜７０ｄの第２の端部７２ａ〜７２ｄと対応する位置に形成され、第２の端部７２ａ〜７２ｄよりも小さい円形の貫通孔によって構成されている。この第４の開口８２によって、第２の端部７２ａ〜７２ｄ及び半田バンプ５０ａ〜５０ｄが第２の絶縁層８０から露出し、圧電素子２０ａ〜２０ｄと回路基板２と間の電気的接続が確保される。
【００５４】
このように、本実施形態における半導体圧力センサ１ａは、パッド４１ａ〜４１ｄと半田バンプ５０ａ〜５０ｄを電気的に接続する第２の配線７０ａ〜７０ｄを備えているので、パッド４１ａ〜４１ｄの配置に係わらず、半田バンプ５０ａ〜５０ｄを所望の位置に配置させることができる。
【００５５】
なお、本実施形態における第１の絶縁層６０が本発明における絶縁層の一例に相当し、本実施形態における第２の配線７０が本発明における配線の一例に相当する。
【００５６】
<<第３実施形態>>
図９は本実施形態における半導体圧力センサの平面図、図１０は本実施形態における半導体圧力センサの第１変形例を示す平面図、図１１は本実施形態における半導体圧力センサの第２変形例を示す平面図である。
【００５７】
本実施形態における半導体圧力センサ１ｂでは、半導体基板１０ａと、圧電素子２１ａ〜２１ｄの配置と、パッドの配置と、半田バンプ５１ａ〜５１ｄの配置と、において第１実施形態と相違しているが、それ以外の構成については第１実施形態と同様である。以下に、第１実施形態と相違する点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５８】
本実施形態における半導体圧力センサ１ｂの半導体基板１０ａは、図９に示すように、面方位（１００）のｎ型シリコン基板であり、図中Ｘ方向が結晶方位＜１１０＞と実施的に一致し、図中Ｙ方向が結晶方位＜１１０＞と実施的に一致している。
【００５９】
圧電素子２１ａ〜２１ｄは、同図に示すように、長手方向が図中Ｙ方向と実質的に平行となるように形成されている。このうち圧電素子２１ａは、ダイアフラム１３において図中Ｘ方向の中心線ＣＬＸ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ａと接するように配置されている。圧電素子２１ｂは、ダイアフラム１３において図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｂと接するように配置されている。圧電素子２１ｃは、ダイアフラム１３において図中Ｘ方向の中心線ＣＬＸ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｃと接するように配置されている。圧電素子２１ｄは、ダイアフラム１３において図中Ｙ方向の中心線ＣＬＹ上に位置し、ダイアフラム１３の一辺１３ｄと接するように配置されている。
【００６０】
半田バンプ５１ａ〜５１ｄ及びパッド（不図示）は、領域Ｂにおいてマトリックス状に配置されている。なお、図１０に示すように、半田バンプ５２ａ〜５２ｄ及びパッド（不図示）を、２列に配置してもよい。また、半田バンプ及びパッドがそれぞれ５つ以上設けられている場合には、半田バンプ及びパッドを３列以上の複数例に配置してもよい。このように、半田バンプ５１ａ〜５１ｄを複数列に配置することで、半導体圧力センサ１ｂを回路基板２に実装する際の機械的な安定性が向上する。
【００６１】
また、図１１に示すように、半田バンプ５３ａ〜５３ｄ及びパッド（不図示）を、半導体基板１０ａの一辺１２ｃと、ダイアフラム１３の外縁上において半導体基板１０ａの一辺１２ｃに対し最も近い点Ｐ２を通過し、且つ半導体基板１０ａの一辺１２ｃと実質的に平行な直線Ｌ２と、の間の領域Ｃに、配置してもよい。このように、半田バンプ５３ａ〜５３ｄを、領域Ｃに配置することで、第１実施形態と同様に、半田バンプ５３ａ〜５３ｄを介して伝達される応力Ｆ１や外力Ｆ２がダイアフラム１３に作用し難くなる。このため、半導体圧力センサ１ｂでは、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００６２】
また、本実施形態では、半田バンプ５１ａ,５１bを結ぶ仮想直線Ｌａと、半田バンプ５１ｂ,５１ｃを結ぶ仮想直線Ｌｂと、半田バンプ５１ｃ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｃと、半田バンプ５１ａ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｄと、半田バンプ５１ａ,５１ｃを結ぶ仮想直線Ｌｅ及び半田バンプ５１ｂ,５１ｄを結ぶ仮想直線Ｌｆの何れもがダイアフラム１３上を通過しないように、半田バンプ５１ａ〜５１ｄが半導体基板１０ａ上に配置されている。このため、半田バンプ５１ａ〜５１ｄを介して伝達される応力Ｆ１及び外力Ｆ２がダイアフラム１３に作用し難くなっている。このため、本実施形態における半導体圧力センサ１ｂでは、意図しない応力Ｆ１や外力Ｆ２の検出が抑制され、オフセット値の変動が低減するので、回路基板２に実装された状態においても正確な圧力測定を行うことができる。
【００６３】
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【符号の説明】
【００６４】
１,１ａ,１ｂ…半導体圧力センサ
１０,１０ａ…半導体基板
１１…中空部
１２…主面
１２ｂ,１２ｃ…一辺
１３…ダイアフラム
１３ａ〜１３ｄ…一辺
２０ａ〜２０ｄ…圧電素子
３０…第１の配線
４０ａ〜４０ｄ…パッド
５０ａ〜５０ｄ…半田バンプ
６０…第１の絶縁層
６１…第１の開口
６２…第２の開口
７０ａ〜７０ｄ…第２の配線
７１ａ〜７１ｄ…第１の端部
７２ａ〜７２ｄ…第２の端部
８０…第２の絶縁層
８１…第３の開口
８２…第４の開口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板に実装される半導体圧力センサであって、
半導体基板と、
前記半導体基板の一部を薄肉に形成したダイアフラムと、
前記ダイアフラムに形成された圧電素子と、
前記半導体基板上に配置され、前記電圧素子に電気的に接続された複数のパッドと、
複数の前記パッドにそれぞれ電気的に接続された複数の半田バンプと、を備え、
複数の前記半田バンプは、前記半田バンプ同士を結ぶ仮想直線が前記ダイアフラム上を通過しないように、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、前記半導体基板の一辺と、前記ダイアフラムの外縁上において前記一辺に対し最も近い点を通過し、且つ前記一辺と実質的に平行な直線と、の間の領域に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、複数列に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、一列に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項５】
請求項４記載の半導体圧力センサであって、
前記半導体基板は、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板であり、
複数の前記圧電素子は、結晶方位＜１１０＞と実質的に平行に配置され、
複数の前記半田バンプは、結晶方位＜１００＞の方向に沿って配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の半導体圧力センサであって、
前記半導体基板上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記パッドと前記半田バンプを電気的に接続する配線と、を備え、
前記絶縁層は、
前記ダイアフラムを露出させる第１の開口と、
複数の前記パッドをそれぞれ露出させる複数の第２の開口と、を有し、
前記配線は、前記第２の開口を通じて前記パッドと接続し、
前記半田バンプは、平面視において、前記パッドと異なる位置に配置されることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の半導体圧力センサを実装した回路基板であって、
前記半導体圧力センサは、複数の前記半田バンプにより前記回路基板と直接接続されていることを特徴とする回路基板。
【請求項１】
回路基板に実装される半導体圧力センサであって、
半導体基板と、
前記半導体基板の一部を薄肉に形成したダイアフラムと、
前記ダイアフラムに形成された圧電素子と、
前記半導体基板上に配置され、前記電圧素子に電気的に接続された複数のパッドと、
複数の前記パッドにそれぞれ電気的に接続された複数の半田バンプと、を備え、
複数の前記半田バンプは、前記半田バンプ同士を結ぶ仮想直線が前記ダイアフラム上を通過しないように、前記半導体基板上に配置されることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項２】
請求項１記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、前記半導体基板の一辺と、前記ダイアフラムの外縁上において前記一辺に対し最も近い点を通過し、且つ前記一辺と実質的に平行な直線と、の間の領域に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、複数列に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項４】
請求項１又は２記載の半導体圧力センサであって、
複数の前記半田バンプは、一列に配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項５】
請求項４記載の半導体圧力センサであって、
前記半導体基板は、面方位（１１０）のｎ型シリコン基板であり、
複数の前記圧電素子は、結晶方位＜１１０＞と実質的に平行に配置され、
複数の前記半田バンプは、結晶方位＜１００＞の方向に沿って配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかに記載の半導体圧力センサであって、
前記半導体基板上に積層された絶縁層と、
前記絶縁層上に形成され、前記パッドと前記半田バンプを電気的に接続する配線と、を備え、
前記絶縁層は、
前記ダイアフラムを露出させる第１の開口と、
複数の前記パッドをそれぞれ露出させる複数の第２の開口と、を有し、
前記配線は、前記第２の開口を通じて前記パッドと接続し、
前記半田バンプは、平面視において、前記パッドと異なる位置に配置されることを特徴とする半導体圧力センサ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかに記載の半導体圧力センサを実装した回路基板であって、
前記半導体圧力センサは、複数の前記半田バンプにより前記回路基板と直接接続されていることを特徴とする回路基板。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１１２４３２（Ｐ２０１１−１１２４３２Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６７３０７（Ｐ２００９−２６７３０７）
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２５日（２００９．１１．２５）
【出願人】（０００００５１８６）株式会社フジクラ (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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