CN101566513A - 压力传感器模块及电子部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及压力传感器模块及电子部件，该压力传感器模块具有：压力传感器，其在半导体基板一面的中心区域的内部具有与该一面大致平行地扩展的间隙部，以位于该间隙部的一侧的被薄板化的区域作为膜片部，在该膜片部上配置有感压元件，并至少具有在一面上配置于上述膜片部之外的区域、与感压元件电连接的导电部；凸块，其按照各导电部配置，与该导电部分别电连接；层叠基板，其具有通过凸块与布线基材电连接。其中，布线基材配置于层叠基板的内部，布线基材的与凸块电连接的面的至少一部分从层叠基板中露出。

Description

压力传感器模块及电子部件

本申请主张基于2008年4月24日向日本专利局提出的日本专利申请特开2008-114262号的优先权，并将该日本申请公开的内容引入本申请中。

技术领域

本发明涉及一种压力传感器模块，具体地说，是涉及一种对于利用膜片部感知压力的压力传感器使其特性变动小的模块构造以及能够高密度且小型地封装该压力传感器和ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit专用集成电路)及其他半导体器件的构造。

背景技术

压力传感器被使用于家电产品、医疗器械、汽车部件等各种各样的领域，其中，由于半导体压力传感器小型且具有高可靠性，所以其用途正日益扩大。特别是最近，为了将压力传感器搭载到便携器械中，要求其封装构造进一步小型化。

我们为了实现终极的小型封装，如日本特开2007-248212号公报所示，设计了一种能够表面安装的CSP(Chip Size Package芯片级封装)，提出了一种通过在嵌入有ASIC的层叠基板上安装压力传感器，从而实现小型压力传感器模块的方案，所述ASIC内置有放大/补偿电路。图10表示了本构造的代表例。具有膜片111的压力传感器112通过凸块(bump)113安装在嵌入有ASIC114的层叠基板115上。本构造是一种适于实现将ASIC114等器件和压力传感器112混合搭载的小型模块，但是，通过之后的系统性地研究，发现存在如下问题。

在图10所示的以往的模块构造中，由于是将压力传感器112安装于层叠基板115的最外表面115A上，所以该层叠基板115上产生的应力容易施加在压力传感器112上。由此，由于从层叠基板115施加在压力传感器112上的该应力，在被安装到层叠基板115的前后，压力传感器112的输出特性会发生变化，难以得到具有期望的输出特性的压力传感器模块130。

发明内容

本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种压力传感器模块，其压力传感器的输出特性不易因在层叠基板上产生的应力而变化，可具备期望的输出特性。

本发明的第1方式的压力传感器模块的特征在于，具有压力传感器，其在半导体基板的一面具备在其中心区域的内部与该一面大致平行地扩展的间隙部，以位于该间隙部的一侧的被薄板化的区域作为膜片部，在该膜片部配置有感压元件，并在上述一面上至少具有在上述膜片部之外的区域配置的、与上述感压元件电连接的导电部，凸块，其按照上述每个导电部分别配置，分别与该导电部电连接，层叠基板，其具有通过上述凸块电连接的布线基材；其中，上述布线基材配置于上述层叠基板的内部，上述布线基材的与上述凸块电连接的面的至少一部分从上述层叠基板中露出。

本发明第2方式的压力传感器模块的特征在于，在上述第1方式中，所述压力传感器被所述层叠基板覆盖，并使所述半导体基板的另一面露出。

本发明第3方式的压力传感器模块的特征在于，在第1方式中，所述布线基材是半导体器件。

本发明第4方式的电子部件的特征在于，搭载有第1方式的压力传感器模块。

依据本发明，与压力传感器电连接的布线基材被配置于层叠基板中，再安装有压力传感器。在层叠基板上产生的应力在该层叠基板的最外表面呈最大，但在本发明中，由于布线基材配置在层叠基板中，所以能够使得施加在压力传感器上的应力比安装在现有的压力传感器模块上的情况小。因此，能够抑制由该应力而导致的压力传感器的安装前后的输出特性的变化，从而能够提供一种具有期望的输出特性的压力传感器模块。

附图说明

图1是示意性表示本发明第1实施方式的压力传感器模块的截面图。

图2是感压元件的电气布线图。

图3是示意性表示本发明第2实施方式的压力传感器模块的截面图。

图4是示意性表示本发明第3实施方式的压力传感器模块的截面图。

图5是示意性表示本发明第4实施方式的压力传感器模块的截面图。

图6是示意性表示本发明第5实施方式的压力传感器模块的截面图。

图7是示意性表示本发明第6实施方式的压力传感器模块的截面图。

图8是示意性表示本发明第7实施方式的压力传感器模块的截面图。

图9是示意性表示本发明第8实施方式的压力传感器模块的截面图。

图10是示意性表示现有的压力传感器模块的截面图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明详细地进行说明，但是本发明不限于此，在不脱离本发明主旨的范围内可以进行各种变更。

<第1实施方式>

图1是示意性表示本发明第1实施方式的压力传感器模块的一例的截面图。本发明的压力传感器模块30A基本上由压力传感器10、凸块18和层叠基板20构成，所述压力传感器10在半导体基板11的一面11a的中心区域α的内部具有与一面11a大致平行地扩展的间隙部13，以位于间隙部13一侧13a的被薄板化的区域作为膜片部14，在膜片部14上配置有感压元件15，并在一面11a上至少具有配置在膜片部14以外的区域、与感压元件15电连接的导电部16；所述凸块18按照各导电部16分别配置、分别与各导电部16电连接；所述层叠基板20具有通过凸块18电连接的布线基材21。此外，布线基材21配置于层叠基板20的内部，布线基材21的与凸块18电连接的一面21a的至少一部分从层叠基板20中露出。以下，分别详细地进行说明。

半导体基板11由例如硅晶片等构成即可。本实施方式中，半导体基板11的形成有膜片部14的一面11a与布线基材21的一面21a对置地配置。

间隙部13是指形成于半导体基板11的一面11a侧的空间。本发明中的间隙部13是使膜片部14的一面在半导体基板11内部的封闭空间中露出的封闭型间隙部13。间隙部13的大小可以适当进行调节，以使膜片部14设置为期望的厚度。

只要在测量对象的负载压力范围内能够得到压力和静电容量的线性比例关系，则对膜片部14的形状没有特殊限定，可以是长方形、正方形、圆形等形状，本示例中是长方形。

感压元件15是配置于膜片部14的周缘部的应变计电阻(R1～R4)，对应于膜片部14的弯曲程度，其输出信号会发生变化，由此得以检测出压力。图2是感压元件15的电气布线图。

如图2所示，上述各应变计电阻(R1～R4)通过图中未示出的导线电连接，构成惠斯登电桥。在膜片部14的周缘部，由于压缩和拉伸两中应力易于施加到感压元件15上，所以能够得到高灵敏度的压力传感器10。

此外，感压元件15的设置位置与上述实施方式相同，在膜片部14的附近，除嵌入于半导体基板11的一面11a中以外，例如也可以形成为突出于半导体基板11的一面11a上等等，只要是可以检测出膜片部14的弯曲的位置，任何位置都可以设置。

导电部16是用蒸镀法、溅射法、无电解镀敷法等薄膜形成方法将Al、Cr、Au、Ag、Cu、Ti等通常用作电极材料的各种金属形成在半导体基板11的一面11a上而制成的。

导电部16的形状通过以下方法图案化而形成：将半导体基板11的一面11a的导电非成膜部用掩膜覆盖、仅在导电成膜部上形成金属膜的方法，或者在半导体基板11的一面11a上均匀地形成金属膜，然后用光刻法进行蚀刻而成为期望的形状的方法。

对于凸块18，只要能将压力传感器10与配置于层叠基板20上的布线基材21电连接的部件即可，无特殊限定。通过用凸块18将压力传感器10与层叠基板20电连接，在布线基材21的一面21a与半导体基板11的一面11a之间形成间隙部1。通过这样配置间隙部1，使得压力传感器10不会直接被作用来自层叠基板20的应力，因此能够缓和该应力。

层叠基板20是例如图1中将3个基板20a、20b、20c重叠而成的构成例。本发明中的层叠基板20只要是将至少2块以上由相同材料或不同种材料组成的基板重叠而成的即可，对重叠设置的基板数量无特殊限定。即，该第1实施方式中，例示出了由3层基板组成的层叠基板，但是也可以是2层，只要是将多个基板重叠配置的层叠基板即可。

此外，对形成层叠基板20的各基板无特殊限定，可以使用例如聚酰亚胺类为基础的挠性印刷电路基板等已有的公知基板。

在层叠基板20上配置有与压力传感器10电连接的布线基材21。此外，在层叠基板20上还配置有与该布线基材21电连接的布线部23。

布线部23将从导电部16及布线基材21输出的来自压力传感器10的压力信号与在层叠基板20上形成的例如放大电路及温度补偿电路等连接。对于布线部23无特殊限定，可以是Al、Cr、Au、Ag、Cu、Ti等通常作电极材料使用的各种金属。

布线基材21配置于层叠基板20上再安装压力传感器10。

此外，通过将布线基材21配置到层叠基板20中并使压力传感器10的膜片部14与布线基材21对置地安装，可以防止外部机械应力施加在膜片部14及凸块18的接合部等容易损坏的部分造成损坏。

该布线基材21上配置有与压力传感器10的导电部16电连接的导体22。对导体22无特殊限定，可以在考虑Al、Cr、Au、Ag、Cu、Ti等通常作电极材料使用的各种金属与布线基材21及凸块18适合与否的基础上，从中适当选用。

在本实施方式中，与压力传感器10电连接的布线基材21配置在层叠基板20中，再安装压力传感器10。层叠基板20上产生的应力在该层叠基板20的最外表面20A呈最大，由此使得施加到压力传感器10上的应力能够比安装在现有压力传感器模块上的情况下小。

此外，压力传感器10不直接安装在层叠基板20上，而是配置在与层叠基板20的侧面及布线基材21的一面21a隔开一定距离的位置上。因此，在层叠基板20上产生的应力施加到压力传感器10上的情况得到缓和，可以抑制由该应力而导致的压力传感器10的安装前后的输出特性变化，从而可以提供一种具备期望的输出特性的压力传感器模块30A。

特别是在本发明中，只要在以往使用的层叠基板中配置布线基材21、并在该布线基材21上安装压力传感器10，就可以得到本发明的构成。因此，能够简便地提供一种不易出现输出特性变化的压力传感器模块30A。

此外，因为布线基材21配置在层叠基板20中，所以能够实现安装有压力传感器10的压力传感器模块30A的薄板化，并且能够防止外部机械应力施加在膜片部14及凸块18的接合部等容易损坏的部分而造成损坏。

<第2实施方式>

图3是示意性表示本发明第2实施方式的压力传感器模块30B的一例的截面图。对于与第1实施方式相同的部件，使用相同的标记并省略其说明。

本实施方式中，在安装有压力传感器10的一面上，层叠基板20的最外表面20A位于与压力传感器10的上表面(半导体基板11的另一面11b)相同或比它高的位置上。由此，半导体基板11的侧面11c被层叠基板20的基板20a包围，在完成的压力传感器模块30B中大幅地抑制了外力直接施加在压力传感器10上的情况。

因此，除上述第1实施方式的效果以外，大幅地抑制了外力直接施加在搬运过程中或搭载到产品上的压力传感器10的情况，能够使搬运过程中产生的应力对膜片部14产生影响而使压力传感器10的输出特性产生变化的情况、以及由于搭载到产品上的压力传感器10从层叠基板20脱落或电连接的断线及膜片部14的损坏而造成的不良等显著地减少。

<第3实施方式>

图4是示意性表示本发明第3实施方式的压力传感器模块30C的一例的截面图。本实施方式的压力传感器模块30C与第1实施方式的压力传感器模块30A的不同点在于，在层叠基板20中配置有半导体器件31，并与压力传感器10电连接。对于与第1实施方式相同的部件，使用相同的标记并省略其说明。

对半导体器件31无特殊限定，可以举出例如进行压力传感器灵敏度放大、进行温度补偿等的ASIC(Application Specific IntegratedCircuit专用集成电路)等。

在第3实施方式的压力传感器模块30C中，通过将控制压力传感器10的半导体器件(例如ASIC)31内置于层叠基板20中，就不需要将控制压力传感器10的控制电路等设置在外部。因此，除第1实施方式中得到的效果以外，可以将压力传感器10与该压力传感器10的控制电路等半导体器件31用一个封装(One Package)一体地形成，从而可以得到小型化、薄型化的压力传感器模块30C。此外，通过将各种半导体器件31嵌入到层叠基板20内，可以提供一种高性能、高密度的压力传感器封装件。

在本实施方式中，还可以配置成与第2实施方式相同，使层叠基板20的最外表面20A设置在与半导体基板11的另一面11b相同的位置或比它高的位置而露出，且压力传感器10被层叠基板20覆盖。可以得到与第2实施方式同样的效果。

<第4实施方式>

图5是示意性表示本发明第4实施方式的压力传感器模块30D的一例的截面图。本实施方式的压力传感器模块30D与第1实施方式的压力传感器模块30A的不同点在于，使用半导体器件31作为配置于层叠基板20中的布线基材21。

在半导体器件31中，在安装有压力传感器10的面31a上形成有电路32，电路32的一部分与凸块18电连接，使半导体器件31与压力传感器10电连接。由此，压力传感器10和半导体器件31之间可以传递信号。

如本实施方式所示，通过使用半导体器件31作为布线基材21，在上述第1实施方式及第3实施方式的效果的基础上，还可以使压力传感器模块30D比第3实施方式的压力传感器模块30C更小型化、薄型化。

在本实施方式中，还可以配置成与第2实施方式相同，使层叠基板20的最外表面20A设置在与半导体基板11的另一面11b相同的位置或比它高的位置，从而露出，且压力传感器10被层叠基板20覆盖。得到与第2实施方式同样的效果。

<第5实施方式>

图6是示意性表示本发明第5实施方式的压力传感器模块30E的一例的截面图。

本实施方式的压力传感器模块30E大致由压力传感器60、凸块18和布线基板20构成，所述压力传感器60在半导体基板61的一面61a的中心区域α的内部具有与一面61a大致平行地扩展的间隙部63，以位于间隙部63的一侧的被薄板化的区域作为膜片部64，在膜片部64中配置有感压元件65，并在一面61a上至少具有配置在膜片部64之外的区域、与感压元件65电连接的导电部66；所述凸块18按照每个导电部66分别配置，并分别与导电部66电连接；所述层叠基板20具有通过凸块18电连接的布线基材21。

此外，布线基材21配置于层叠基板20的内部，布线基材21的与凸块18电连接的面21a的至少一部分从层叠基板20中露出。

本实施方式的压力传感器模块30E与第1实施方式的压力传感器模块30A的不同点在于：贯通电极62在压力传感器60上配置成一端62a电连接于导电部66上、另一端62b在半导体基板61的另一面61b露出；该贯通电极62通过凸块18与布线基材21电连接；以及膜片部64配置在与层叠基板20相对置的面61b相反的面61a上。

此外，关于半导体基板61、间隙部63、膜片部64、感压元件65以及导电部66则分别与第1实施方式的半导体基板11、间隙部13、膜片部14、感压元件15以及导电部16相同。

对于贯通电极62无特殊限定，可以使用已有的公知产品，例如可以通过在半导体基板61中所形成的贯通孔内填充金、其他金属材料以及焊锡等合金来得到。

在本实施方式中，与压力传感器60电连接的布线基材21配置在层叠基板20中再安装有压力传感器60。由于层叠基板20上产生的应力在该层叠基板20的最外表面20A呈最大，所以能够使得施加到压力传感器60上的应力比安装到现有的压力传感器模块上的情况小。此外，压力传感器60不直接安装在层叠基板20上，而是配置在与层叠基板20的侧面及布线基材21的一面21a隔开一定距离的位置上。

因此，可以抑制由该应力导致的压力传感器60的安装前后的输出特性变化，从而可以提供一种具有期望的输出特性的压力传感器模块30E。

特别是在本发明中，只要在以往使用的层叠基板中配置布线基材21并在该布线基材21上安装压力传感器60，就可以得到本发明的构成。因此，能够简便地提供一种不易出现输出特性变化的压力传感器模块30E。

此外，因为布线基材21配置在层叠基板20中，所以能够实现安装有压力传感器60的压力传感器模块30E的薄板化，并可以防止外部机械压力施加在凸块18的接合部等容易损坏的部分而造成损坏。

<第6实施方式>

图7是示意性表示本发明第6实施方式的压力传感器模块30F的一例的截面图。对于与第1实施方式及第5实施方式相同的部件，使用相同标记，并省略其说明。

本实施方式中，在安装有压力传感器60的面上，层叠基板20的最外表面20A位于与压力传感器60的上表面(半导体基板61的一面61a)相同或比它高的位置上。由此，半导体基板61的侧面61c被层叠基板20的基板20a包围，在完成的压力传感器模块30F中，大幅地抑制了外力直接施加在压力传感器60上的情况。

因此，除上述第5实施方式的效果以外，还大幅地抑制了外力直接施加在搬运过程中或搭载到产品中的压力传感器60上的情况，能够显著地减少搬运过程中产生的应力对膜片部64产生影响而使压力传感器60的输出特性产生变化的情况、以及由于搭载到产品上的压力传感器60从层叠基板20上脱落、或电连接断开及膜片部64的损坏而造成的不良等。

<第7实施方式>

图8是示意性表示本发明第7实施方式的压力传感器模块30G的一例的截面图。本实施方式的压力传感器模块30G与第5实施方式的压力传感器模块30E的不同点在于，在层叠基板20中还配置有半导体器件31。

对半导体器件31无特殊限定，可以举出例如使压力传感器灵敏度提高、进行温度补偿等的ASIC(Application Specific Integrated Circuit专用集成电路)等。

在本实施方式的压力传感器模块30G中，与第2实施方式的压力传感器模块相同，通过将控制压力传感器60的半导体器件(例如ASIC)31内置于层叠基板20中，就不需要将控制压力传感器60的控制电路等设置在外部。

因此，除第5实施方式中得到的效果以外，可以将压力传感器60与该压力传感器60的控制电路等半导体器件31用一个封装形成为一体，从而可以得到小型化、薄型化的压力传感器模块30G。此外，通过将各种半导体器件31嵌入到层叠基板20内，可以提供一种高性能、高密度的压力传感器封装件。

在本实施方式中，还可以配置成与第6实施方式相同，使层叠基板20的最外表面20A设置在与半导体基板61的一面61a相同的位置或比它高的位置并露出，且压力传感器60被层叠基板20覆盖。得到与第6实施方式同样的效果。

<第8实施方式>

图9是示意性表示本发明第8实施方式的压力传感器模块30H的一例的截面图。本实施方式的压力传感器模块30H与第5实施方式的压力传感器模块30E的不同点在于，使用半导体器件31作为配置于层叠基板20中的布线基材21。

半导体器件31中，在安装有压力传感器60的一面31a上形成有电路32，电路32的一部分与凸块18电连接，使半导体器件31与压力传感器60电连接。由此，压力传感器60和半导体器件31之间可以传递信号。

如本实施方式所示，通过使用半导体器件31作为布线基材21，在上述第5实施方式及第7实施方式的效果基础上，还可以使压力传感器模块30H比第7实施方式的压力传感器模块30G更小型化、薄型化。

在本实施方式中，还可以配置成与第6实施方式相同，使层叠基板20的最外表面20A设置在与半导体基板61的一面61a相同的位置或比它更高的位置并露出，且压力传感器60被层叠基板20覆盖。得到与第6实施方式同样的效果。

上述第1实施方式～第8实施方式的压力传感器模块30中，优选布线基材21的线膨胀系数与压力传感器10、60的半导体基板11、61大致相同。

若与以往一样，在某一温度(通常为260℃左右)将压力传感器直接通过回流焊安装在层叠基板上，则由于两者的热膨胀系数之差，在压力传感器的使用温度(例如室温)下，焊料凸块的附近会有残留应力。这样，膜片部上的应力会在压力传感器的安装前后发生变化，其结果是，该压力传感器的输出特性发生变化。

此外，因为两者的热膨胀系数之差，残留应力会随时间而变化(蠕变)，其结果是，传感器的特性也随着时间而变化。再加上热量的变化，两者会按照热膨胀系数而伸缩，从而使得热可靠性恶化。

通过使布线基材21的线膨胀系数与压力传感器10、60的半导体基板11、61大致相同，可以抑制由热膨胀系数之差而产生的应力，并可以无限减小将压力传感器10、60直接通过回流焊安装到层叠基板20后的残留应力以及其随时间而产生的变化(蠕变)。

因此，可以进一步减小在压力传感器10、60的安装前后的输出特性的变化，并可以在维持期望的输出特性的同时，显著提高温度循环等的可靠性。

作为这种布线基材21，可以根据压力传感器10、60中使用的半导体基板11、61而适当改变，可以列举例如硅、陶瓷及玻璃等。

使用半导体器件31作为布线基材21时，优选使半导体器件31的线膨胀系数与压力传感器10、60的半导体基板11、61大致相同。由此，与上述半导体基板21的情况相同，可以抑制由热膨胀系数之差而产生的应力，可以无限减小将压力传感器10、60直接通过回流焊安装到层叠基板20上之后的残留应力以及蠕变。

因此，可以进一步减小在压力传感器10、60的安装前后的输出特性的变化，并可以在维持期望的输出特性的同时，使压力传感器模块的温度循环等的可靠性提高。

作为这种半导体器件31，可以根据压力传感器10、60中使用的半导体基板11、61而适当改变，可以列举例如由硅、陶瓷及玻璃等制成的器件。

此外，本发明的电子部件具有上述第1实施方式～第8实施方式中的任意一项所述的压力传感器模块30。因此，该电子部件由于受外部及内部应力的影响被减小，从而能够提供一种可以高精度且再现性良好地检测出压力的电子部件。

在本发明的压力传感器模块中，压力传感器上的应力得到缓和，从而可以维持期望的输出特性，因此，本发明的压力传感器模块可用于测量例如空气压、水压及油压等压力，适合用于可以高精度且再现性良好地进行测量的各种电子部件。

上面结合示范性实施方式对本发明作了详细说明，但本发明不限于这些示范性实施方式。本领域的技术人员会明白，在不偏离所附权利要求书中定义的本发明的范围的情况下，可以对本发明的形式和细节进行各种变更。

Claims (4)

1.一种压力传感器模块，具有：

压力传感器，其在半导体基板的一面具备在其中心区域的内部与该一面大致平行地扩展的间隙部，以位于该间隙部的一侧的被薄板化的区域作为膜片部，在该膜片部配置有感压元件，并在上述一面上至少具有在上述膜片部之外的区域配置的、与上述感压元件电连接的导电部，

凸块，其按照上述每个导电部分别配置，分别与该导电部电连接，

层叠基板，其具有通过上述凸块电连接的布线基材；

其中，上述布线基材配置于上述层叠基板的内部，上述布线基材的与上述凸块电连接的面的至少一部分从上述层叠基板中露出。

2.根据权利要求1所述的压力传感器模块，其特征在于，所述压力传感器被所述层叠基板覆盖，并使所述半导体基板的另一面露出。

3.根据权利要求1所述的压力传感器模块，其特征在于，所述布线基材是半导体器件。

4.一种电子部件，其搭载有权利要求1所述的压力传感器模块。

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