特許 6183012 半導体パッケージ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6183012

(24)【登録日】2017年8月4日

(45)【発行日】2017年8月23日

(54)【発明の名称】半導体パッケージ

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/08 20060101AFI20170814BHJP

   H01L 23/20 20060101ALI20170814BHJP

   H01L 23/26 20060101ALI20170814BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20170814BHJP

   B81B 7/02 20060101ALI20170814BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/08 102A

   H01L23/20

   H01L23/26

   B81B3/00

   B81B7/02

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-142115(P2013-142115)

(22)【出願日】2013年7月5日

(65)【公開番号】特開2015-14543(P2015-14543A)

(43)【公開日】2015年1月22日

【審査請求日】2016年1月29日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 刊行物 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＳ ＡＮＤ ＭＩＣＲＯＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、第２３巻、第３号、０３５０３２ 発行日 平成２５年２月６日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504132272

【氏名又は名称】国立大学法人京都大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】種村 友貴

(72)【発明者】

【氏名】山下 秀一

(72)【発明者】

【氏名】和戸 弘幸

(72)【発明者】

【氏名】土屋 智由

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−５３１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３３２９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１３５７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平８−７８５６９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ１５／００−２１／０２

Ｇ０１Ｌ ７／００−２３／３２

Ｇ０１Ｌ２７／００−２７／０２

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｂ ７／０２

Ｈ０１Ｌ２３／００−２３／２６

Ｈ０１Ｌ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリコンを材料として形成された可動部（５２ａ）を有するＭＥＭＳデバイス（５２）と、
気体が封入される内部空間（５６ａ）に、前記ＭＥＭＳデバイスの少なくとも前記可動部を収容可能に設けられる収容部（５６）と、
前記可動部とともに前記内部空間に収容され、シリコンを材料とする前記可動部の疲労寿命を把握するために、前記内部空間における相対湿度を検出する湿度センサ（５４）と、を備えることを特徴とする半導体パッケージ。

【請求項2】

通電により発熱し、該熱が前記内部空間（５６ａ）の気体に伝達されるように設けられるヒータ（７２）を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体パッケージ。

【請求項3】

前記内部空間（５６ａ）における相対湿度が所定の相対湿度以下となるように、前記湿度センサ（５４）の出力に基づいて、前記ヒータ（７２）の通電が制御されることを特徴とする請求項２に記載の半導体パッケージ。

【請求項4】

シリコンを材料として形成された可動部（５２ａ）を有するＭＥＭＳデバイス（５２）と、
気体が封入される内部空間（５６ａ）に、前記ＭＥＭＳデバイスの少なくとも前記可動部を収容可能に設けられる収容部（５６）と、
前記可動部とともに前記内部空間に収容され、前記内部空間における相対湿度を検出する湿度センサ（５４）と、
通電により発熱し、該熱が前記内部空間（５６ａ）の気体に伝達されるように設けられるヒータ（７２）と、を備え、
前記内部空間（５６ａ）における相対湿度が所定の相対湿度以下となるように、前記湿度センサ（５４）の出力に基づいて、前記ヒータ（７２）の通電が制御されることを特徴とする半導体パッケージ。

【請求項5】

前記所定の相対湿度以下とは、３５％ＲＨ以下であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の半導体パッケージ。

【請求項6】

前記内部空間（５６ａ）に収容され、前記内部空間の温度を検出する温度センサ（７４）を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の半導体パッケージ。

【請求項7】

前記内部空間（５６ａ）に、前記気体の一部として、窒素、酸素、若しくは希ガスが封入されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の半導体パッケージ。

【請求項8】

前記内部空間に収容される吸湿剤（７６）を、さらに備えることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の半導体パッケージ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコンを材料として形成された可動部を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスを備えた半導体パッケージに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、シリコンを材料として形成された可動部を有するＭＥＭＳデバイスとして、加速度センサ、ＭＥＭＳミラー、高周波スイッチ、などが知られている。

【0003】

そして、特許文献１に記載のように、ＭＥＭＳデバイスを備える半導体パッケージにおいて、可動部は、半導体パッケージの収納空間に収容され、正常な動作を阻害する要因（例えば異物）から保護されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−３３２９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、シリコンで構成される可動部は繰り返し駆動されるため、繰返し荷重により疲労破壊する虞があり、可動部の疲労寿命を把握したいというニーズがある。

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載される従来の半導体パッケージでは、可動部の疲労寿命について特に考慮されていない。

【0007】

本発明は上記問題点に鑑み、ＭＥＭＳデバイスを備えた半導体パッケージにおいて、シリコンを材料として形成された可動部の疲労寿命を把握することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

ここに開示される発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲及びこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0009】

開示された発明のひとつは、シリコンを材料として形成された可動部（５２ａ）を有するＭＥＭＳデバイス（５２）と、
気体が封入される内部空間（５６ａ）に、ＭＥＭＳデバイスの少なくとも可動部を収容可能に設けられる収容部（５６）と、
可動部とともに内部空間に収容され、シリコンを材料とする可動部の疲労寿命を把握するために、内部空間における相対湿度を検出する湿度センサ（５４）と、を備えることを特徴とする。

【0010】

詳細は後述するが、本発明者は、鋭意検討の結果、亀裂進展の起こりにくさを決める疲労指数ｎが、可動部（５２ａ）周囲の相対湿度に依存することを見出した、
この発明では、湿度センサ（５４）により、内部空間（５６ａ）における相対湿度を検出することができる。したがって、湿度センサ（５４）の出力から、可動部（５２ａ）の疲労寿命を把握することができる。

【0011】

例えば経年劣化により徐々にリークが進行し、これにより内部空間（５６ａ）の相対湿度が変化しても、湿度センサ（５４）の出力から、可動部（５２ａ）の疲労寿命を把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】試験片の概略構成を示す斜視図である。

【図2】図１のII-II線に沿う断面図である。

【図3】試験装置の概略構成を示す図である。

【図4】９５％ＲＨにおける疲労試験の結果を示す図である。

【図5】５０％ＲＨにおける疲労試験の結果を示す図である。

【図6】３５％ＲＨにおける疲労試験の結果を示す図である。

【図7】５％ＲＨにおける疲労試験の結果を示す図である。

【図8】σ／σ_０＝０．９における破壊までの繰り返し数Ｎと累積破壊確率Ｆとの関係を示す図である。

【図9】σ／σ_０＝０．８における破壊までの繰り返し数Ｎと累積破壊確率Ｆとの関係を示す図である。

【図10】σ／σ_０＝０．７における破壊までの繰り返し数Ｎと累積破壊確率Ｆとの関係を示す図である。

【図11】２５℃における相対湿度と疲労指数ｎとの関係を示す図である。

【図12】９５℃における相対湿度と疲労指数ｎとの関係を示す図である。

【図13】絶対湿度と疲労指数ｎとの関係を示す図である。

【図14】第１実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示す図である。

【図15】第２実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示すブロック図である。

【図16】半導体パッケージの概略構成を示す図である。

【図17】第４実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示すブロック図である。

【図18】半導体パッケージの概略構成を示す図である。

【図19】第６実施形態に係る半導体パッケージの概略構成を示す図である。

【図20】第１変形例を示す図である。

【図21】第２変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

先ず、本発明の実施形態について説明する前に、本発明者が本発明を創作するに至った経緯を説明する。

【0014】

本発明者は、シリコンを材料として形成された可動部を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）デバイスについて、可動部の疲労寿命を評価すべく、図１及び図２に示す試験片１０を作成し、図３に示す試験装置３０により初期破壊強度を評価した。

【0015】

（試験片）
リソグラフィによりパターニングされ、エッチングされた側壁を有する試験片を用いると、疲労寿命のばらつき、すなわち破壊までの繰り返し数Ｎのばらつきが大きい。このようにばらつきが大きいのは、エッチングによる側壁の加工面粗さに起因する応力集中係数の影響が大きいと考えられる。

【0016】

そこで、本試験では、図１及び図２に示すように、エッチング面をもたない、メンブレン構造の試験片１０を作成した。この試験片１０は、シリコンからなる基板１２と、基板１２の一面上に設けられたマスク１８と、基板１２における一面と反対の裏面上に設けられた多層構造のメンブレン２０と、を有する。

【0017】

基板１２は、錘部１４と、錘部１４を所定の間隙を有して取り囲む枠部１６と、を有する。一方、メンブレン２０は、シリコン窒化膜２２（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコン酸化膜２４（ＳｉＯ_２）、及び多結晶シリコン膜２６を有する。Ｓｉ_３Ｎ_４は、多結晶シリコンの約４倍の強度をもつため、シリコン窒化膜２２を有することで、錘部１４を上下に振動させる試験時において、多結晶シリコン膜２６側からメンブレン２０を破壊させることができる。また、シリコン窒化膜２２は、錘部１４及び枠部１６の形成時に、エッチングストッパとして機能する。圧縮応力であるシリコン酸化膜２４を有することで、共振周波数を振動試験器３４の最大周波数である３ｋＨｚ以下に制御することができる。

【0018】

厚さ４００μｍ、一辺が２０ｍｍの平面正方形の基板１２を準備し、基板１２の一面側に、マスク１８として、厚さが２μｍのシリコン酸化膜（ＳＩＯ_２）を形成した。また、基板１２の一面と反対の面に、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、厚さが６００ｎｍ、内部応力が引張である１００ＭＰａのシリコン窒化膜２２を形成した。また、シリコン窒化膜２２上に、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さが３００ｎｍ、内部応力が圧縮である−２００ＭＰａのシリコン酸化膜２４を形成した。さらに、シリコン酸化膜２４上に、厚さが２５０ｎｍ、内部応力が引張である１００ＭＰａの多結晶シリコン膜２６を形成した。この多結晶シリコン膜２６は、ＬＰ−ＣＶＤ法によりアモルファス状態のシリコンを約５４０℃で成膜し、その後、窒素雰囲気下で９５０℃、３時間の熱処理を行うことで結晶化させることで得た。

【0019】

そして、マスク１８を用い、シリコン窒化膜２２をエッチングストッパとして、基板１２をエッチングすることで、錘部１４と枠部１６を形成した。錘部１４については、基板１２の中央に配置されるとともに、直径１２ｍｍの円柱状をなすようにした。また、枠部１６については、一定幅（２ｍｍ）の環状をなすとともに、内周端の中心が錘部１４の中心と一致するようにした。これにより、錘部１４と枠部１６との間の最小間隔は２ｍｍとなった。このように、錘部１４を有することで、共振周波数を低減することができる。なお、以下においては、錘部１４の表面に位置するマスク１８も錘部１４の一部とし、枠部１６の表面に位置するマスク１８も枠部１６の一部とする。

【0020】

（試験装置）
図３に示す試験装置３０は、中央に錘部１４を配置したメンブレン２０を、外部励振による共振振動で、メンブレン２０に対して垂直面外方向に変形させるようになっており、多結晶シリコン膜２６が破壊に至る高い応力の印加と、短時間での高サイクル試験を可能とするものである。

【0021】

この試験装置３０は、試験片１０を収容し、所定の温湿度環境を提供する恒温恒湿槽３２と、試験片１０に振動を印加する振動試験器３４と、相対変位を検出するための加速度計３６及びレーザ変位計３８を備えている。さらに、試験装置３０は、振動試験器３４の駆動を制御するコントローラ４０と、加速度計３６及びレーザ変位計３８の出力データを収集するデータロガー４２と、を備えている。また、加速度計３６は、振動試験器３４に内蔵されている。

【0022】

恒温恒湿槽３２の内部に、上記した試験片１０とともに、加速度計３６が内蔵された振動試験器３４とレーザ変位計３８を配置し、試験片１０の枠部１６を、マスク１８側が接触するように振動試験器３４に固定した。そして、コントローラ４０から出力される制御信号に基づいて、振動試験器３４は基板１２の厚み方向に振動させ、これにより、試験片１０を、上記厚み方向、すなわち面外方向へ加振させた。

【0023】

共振時には、錘部１４と枠部１６とが逆位相で変位し、これによりメンブレン２０が変形する。また、メンブレン２０の多結晶シリコン膜２６において、変形により最大応力が印加される最大応力印加点２０ａは、図１及び図２に一点鎖線で囲むように、枠部１６の内周端のうち、平面正方形の各辺の中心付近となる。

【0024】

本試験では、メンブレン２０に印加される最大応力（以下、印加応力と示す）を、枠部１６に対する錘部１４の相対変位により、ＦＥＭ解析を用いて算出した。枠部１６の変位は、加速度計３６の加速度振幅と振動数から正弦波を仮定して算出し、錘部１４の変位は、レーザ変位計３８によって計測した。そして、これらの値をデータロガー４２で収集し、相対変位からメンブレン２０の最大応力に換算した。

【0025】

また、試験中は、錘部１４の変位及び枠部１６の変位をコントローラ４０にもフィードバックさせ、一定の相対変位を保持するようにした。

【0026】

（試験の結果）
先ず、疲労試験で用いる基準応力σ_０を算出するために、ランピング応力試験を実施した。

【0027】

このランピング応力試験では、２５℃、５０％ＲＨの環境で、振動試験器３４の加振加速度を一定とし、加振周波数を３００Ｈｚから１０Ｈｚ／ｓの割合で上昇させ、共振周波数に近づけた。そして、振動により、メンブレン２０（多結晶シリコン膜２６）が破壊した瞬間の相対変位から、印加応力を算出した。この試験を１４の試験片１０について行った。図示を省略するが、周波数の増大とともに相対変位も大きくなり、周波数が１．５ｋＨｚ、相対変位が３００μｍ付近で、各試験片１０についてメンブレン２０が破壊に至った。

【0028】

印加応力の算出結果は、ワイブル分布によく一致しており、算出結果をワイブル分布関数でフィッティングして、基準応力σ_０を算出した。具体的には、ワイブル分布関数の累積破壊確率Ｆが６３％となる印加応力を、基準応力σ_０とした。基準応力σ_０は、２．５８ＧＰａとなった。また、ワイブル係数ｍは１５．２と、強度ばらつきが小さいものとなった。

【0029】

次いで、基準応力σ_０を用いて、疲労試験を行った。

【0030】

この疲労試験では、所定の温湿度条件において、基準応力σ_０の９０％、８０％、７０％の応力σが発生する相対変位となるように、所定の振動周波数で固定し、破壊までの繰り返し数Ｎ、すなわち疲労寿命を算出した。なお、温度を２５℃とし、湿度を、９５％ＲＨ、５０％ＲＨ、３５％ＲＨ、５％ＲＨのそれぞれとした。また、疲労試験の最大サイクルを２×１０^９とした。図４〜図７に疲労試験の結果（Ｓ−Ｎプロット）を示す。

【0031】

図４〜図７に示すように、疲労寿命のばらつきは、従来のエッチングされた側壁を有する試験片に較べて低減された。特に図４に示す９５％ＲＨ、図５に示す５０％ＲＨ、図６に示す３５％ＲＨにおいては、疲労寿命のばらつきが１０^２未満となり、同温同湿での従来のばらつき１０^３よりも大幅に低減された。なお、図５〜図７に示す破線は、最大サイクルの２×１０^９を示し、図中の矢印は、２×１０^９までのサイクルで破壊しなかった試験片１０の結果を示している。

【0032】

図８〜図１０は、上記した疲労試験の結果を、破壊までの繰り返し数Ｎと累積破壊確率Ｆとの関係、すなわちワイブルプロットとしてまとめた図である。図８は、σ／σ_０＝０．９、図９は、σ／σ_０＝０．８、図１０は、σ／σ_０＝０．７について示している。この結果、相対湿度が低いほど破壊までの繰り返し数Ｎが増加する、すなわち疲労寿命が長くなることが明らかとなった。

【0033】

ここで、疲労寿命は、ワイブル統計とパリス則でモデリングされる。シリコンは脆性材料であり、その強度にばらつきをもつため、破壊強度はワイブル統計に従う。数式１は、ワイブル分布関数を示しており、Ｆは累積破壊確率、σ_０は基準応力、σは印加される応力、ｍはワイブル係数である。

【数1】

【0034】

一方、繰り返し応力による亀裂進展を表現したパリス則により、亀裂進展速度ｖは数式２に示すように定義される。数式２において、ａは亀裂の寸法、Ｎは繰り返し数、Ｃは定数、ｎは疲労指数、ΔＫ_Ｉは応力拡大係数、Ｋ_ＩＣは破壊靭性値である。亀裂進展速度ｖは、１回の応力印加当たりの亀裂寸法ａの進展量として示される。

【数2】

【0035】

ΔＫ_Ｉ／Ｋ_ＩＣ＜１であるため、疲労指数ｎが小さいほど亀裂進展速度ｖは大きくなる。ここで、亀裂先端での応力拡散係数ΔＫ_Ｉは数式３で示される。数式３において、βは亀裂形状に依存する係数である。

【数3】

【0036】

そして、数式２に数式３を代入すると、数式４を得ることができる。

【数4】

【0037】

数式４を、初期亀裂寸法ａ_ｉから、破壊が起こる臨界亀裂寸法ａ_ｃまで積分すると、数式５を得ることができる。数式５は、一定の応力σがＮ回繰り返し印加され、亀裂寸法がａ_ｃに到達し、破壊した場合の初期亀裂寸法ａ_ｉを示している。

【数5】

【0038】

ここで、材料強度には、ワイブル統計でモデル化される強度ばらつきがあり、それは初期亀裂寸法ａ_ｉのばらつきとして表現できる。数式１に数式３を代入すると、数式６に示すように、初期亀裂寸法ａ_ｉに対して、繰り返し応力により進展した任意の亀裂寸法ａにおける累積破壊確率Ｆとすることができる。

【数6】

【0039】

そして、数式５を数式６に代入すると、繰り返し応力による疲労破壊確率モデルを示す数式７を得ることができる。換言すれば累積破壊確率Ｆを、疲労指数ｎを用いて示すことができる。

【数7】

【0040】

図８〜図１０に示した疲労試験のワイブルプロットを数式７にフィッティングすることで、各相対湿度における疲労指数ｎを算出した。図１１は、相対湿度と疲労指数ｎとの関係を示している。また、図１２は、同様に９５℃において疲労試験を行った結果、得られた相対湿度と疲労指数ｎとの関係を示している。さらに、図１３は、２５℃と９５℃における、絶対湿度と疲労指数ｎとの関係を示している。図１２に示すように、９５℃の試験では、測定装置の限界から９５％ＲＨの測定はできず、代わりに７０％ＲＨで測定を行った。

【0041】

図１１及び図１２に示すように、相対湿度が低いほど、疲労指数ｎが大きくなることが明らかとなった。一方、図１３に示すように、絶対湿度と疲労指数ｎとの関係は不連続となっている。したがって、疲労寿命を支配する疲労特性は、絶対湿度ではなく、相対湿度に依存することが明らかとなった。そして、相対湿度が低いほど疲労寿命が伸長することが明らかとなった。さらには、図１１及び図１２より、３５％ＲＨ以下において、疲労指数ｎの相対湿度に対する変化が大きくなっている。すなわち、３５％ＲＨ以下とすると、疲労寿命を効果的に伸長できることが明らかとなった。

【0042】

なお、上記した試験片１０に対し、シリコン酸化膜２４の厚さを３９０ｎｍ、多結晶シリコン膜２６の厚さを５００ｎｍに代えたものを準備し、同様の試験を実施した結果、ワイブル係数ｍは、相対湿度によらずほぼ一定の値を示し、膜厚によって異なることが明らかとなった。すなわち、ワイブル係数ｍは、多結晶シリコン膜２６の膜厚に依存することが明らかとなった。

【0043】

このように、疲労指数ｎ、すなわち疲労寿命は、相対湿度に依存することが明らかとなった。本発明は、上記試験結果に基づくものであり、以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。なお、各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。

【0044】

（第１実施形態）
先ず、図１４を用いて、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の概略構成を説明する。

【0045】

図１４に示すように、半導体パッケージ５０は、ＭＥＭＳデバイス５２と、湿度センサ５４と、収容部５６と、を備えている。

【0046】

ＭＥＭＳデバイス５２は、シリコンを材料として形成された可動部５２ａを有している。このようなＭＥＭＳデバイス５２としては、センサ、光デバイス、高周波デバイス、発電デバイス、流体・分析デバイスなどを採用することができる。より具体的には、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、ＭＥＭＳミラー、可変分光器(ファブリペロー干渉計)、ＲＦスイッチ、可変キャパシタなどがある。

【0047】

本実施形態では、一例として、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成された周知構造の静電容量式加速度センサを採用しており、可動部５２ａとして錘部や可動電極などを有している。

【0048】

湿度センサ５４は、後述する内部空間５６ａに収容され、内部空間５６ａの相対湿度を検出するものである。このような湿度センサ５４としては、抵抗式湿度センサや容量式湿度センサなど、周知のものを採用することができる。本実施形態では、ＭＥＭＳデバイス５２とは別チップとして湿度センサ５４を有している。

【0049】

収容部５６は、気体が封入される内部空間５６ａに、ＭＥＭＳデバイス５２の少なくとも可動部５２ａと、湿度センサ５４と、を収容可能に設けられている。換言すれば、収容部５６は、可動部５２ａ及び湿度センサ５４を中空に保持するように設けられている。

【0050】

内部空間５６ａにＭＥＭＳデバイス５２全体が収容されても良いし、ＭＥＭＳデバイス５２のうち、可動部５２ａを含む一部のみが収容されても良い。また、収容部５６の構成材料は特に限定されるものではない。例えば金属、セラミック、シリコンなどの半導体基板、ガラス、樹脂を採用することができる。

【0051】

一例として、本実施形態の収容部５６は、略平板状をなす金属製のベース５８と、有底筒状をなす金属製のキャップ６０を有しており、ベース５８とキャップ６０とが例えば抵抗溶接されて封止されている。そして、ベース５８とキャップ６０により形成される閉空間が内部空間５６ａとされ、この内部空間５６ａに、ＭＥＭＳデバイス５２全体と湿度センサ５４が配置されている。また、内部空間５６ａには、相対湿度を測定可能な気体が封入されている。相対湿度を測定可能な気体とは、少なくとも水蒸気を含むものである。このように、ＭＥＭＳデバイス５２を中空に保持する構成とすると、可動部５２ａを異物から保護することができる。また、可動部５２ａの駆動環境を安定化させることができる。

【0052】

ベース５８には、ＭＥＭＳデバイス５２及び湿度センサ５４が固定されている。また、ベース５８には、ＭＥＭＳデバイス５２と湿度センサ５４を、外部と電気的に接続するための端子６２が、ガラス封止等により取り付けられている。そして、端子６２のうち、ベース５８から内部空間５６ａに突出する部分と、ＭＥＭＳデバイス５２や湿度センサ５４のパッドとが、ボンディングワイヤ６４を介して電気的に接続されている。

【0053】

ＭＥＭＳデバイス５２及び湿度センサ５４が収容された収容部５６は、配線基板６６の一面に配置されている。この配線基板６６は、電気絶縁性の基材に、導電性材料からなる配線６８を配置してなる。端子６２は、配線基板６６（基材）の挿入孔に挿入されており、この挿入状態で、配線６８と電気的に接続されている。

【0054】

また配線基板６６には、収容部５６と異なる位置に、処理回路部７０が実装されている。そして、処理回路部７０は、配線６８を介して、ＭＥＭＳデバイス５２及び湿度センサ５４と電気的に接続されている。処理回路部７０は、ＭＥＭＳデバイスの駆動回路や出力処理回路、湿度センサ５４の駆動回路や温度補償などの出力処理回路を有している。なお、駆動回路や出力処理回路をＭＥＭＳデバイス５２や湿度センサ５４と同一チップに構成することもできる。

【0055】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0056】

本実施形態では、内部空間５６ａに収容された湿度センサ５４により、内部空間５６ａにおける相対湿度を検出することができる。上記したように、シリコンの疲労寿命は、相対湿度に依存する。したがって、湿度センサ５４の出力から、ＭＥＭＳデバイス５２における可動部５２ａの疲労寿命を把握することができる。

【0057】

例えば経年劣化により徐々にリークが進行し、これにより内部空間（５６ａ）の相対湿度が少しずつ変化しても、湿度センサ５４の出力から、可動部５２ａの疲労寿命を把握することができる。

【0058】

（第２実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体パッケージ５０と共通する部分についての説明は割愛する。

【0059】

本実施形態では、図１５に示すように、半導体パッケージ５０が、通電により発熱するヒータ７２を備え、このヒータ７２の熱が内部空間５６ａの気体に伝達されるように、ヒータ７２が設けられる点を特徴とする。図１５に示す例では、処理回路部７０にヒータ７２の駆動回路が形成されており、処理回路部７０から出力される駆動信号によって、ヒータ７２の通電が制御される。

【0060】

ヒータ７２の配置の一例を図１６に示す。図１６において、ヒータ７２は、単独の素子として、ベース５８に固定され、端子６２及び配線６８を介して、処理回路部７０と電気的に接続されている。

【0061】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0062】

本実施形態では、ヒータ７２により、内部空間５６ａに封入された気体の温度を高くすることができる。相対湿度は、温度が高くなると低下する。したがって、ヒータ７２の熱により、内部空間５６ａにおける相対湿度を低くすることができる。すなわち、ヒータ７２の熱により、可動部５２ａの疲労寿命を伸ばし、所望の疲労寿命を確保することができる。

【0063】

また、ヒータ７２によって内部空間５６ａの温度を変化させながらも、第１実施形態に記載のように、可動部５２ａの疲労寿命を把握することができる。すなわち、可動部５２ａの疲労寿命を伸長させながら、その寿命を把握することができる。

【0064】

なお、ヒータ７２の通電パターンが特に限定されない。例えば定電流を常時通電としても良いし、オンとオフとを所定周期で繰り返すようにしても良い。

【0065】

また、ヒータ７２の配置は、図１６の例に限定されるものではない。ヒータ７２を、ＭＥＭＳデバイス５２や湿度センサ５４と一体的に（１チップで）形成することもできる。また、収容部５６の外壁にヒータ７２を配置し、収容部５６を通じて内部空間５６ａの気体を温めるようにしても良い。

【0066】

（第３実施形態）
本実施形態において、第２実施形態に示した半導体パッケージ５０と共通する部分についての説明は割愛する。

【0067】

本実施形態では、内部空間５６ａにおける相対湿度が所定の相対湿度以下となるように、湿度センサ５４の出力に基づいて、ヒータ７２の通電が制御されることを第１の特徴とする。また、相対湿度が３５％ＲＨ以下となるように、ヒータ７２の通電が制御されることを第２の特徴とする。半導体パッケージ５０の構成は、基本的に図１５及び図１６と同じである。

【0068】

湿度センサ５４は、上記した温度補償回路により、温度によらずほぼ一定の値を出力する。すなわち、相対湿度が同じであれば温度によらずほぼ一定の値を出力する。
そこで、処理回路部７０は、湿度センサ５４により検出された相対湿度に基づいて、所定の相対湿度以下をキープするように、ヒータ７２への通電をフィードバック制御する。本実施形態では、０％ＲＨ以上３５％ＲＨ以下をキープするように、ヒータ７２への通電を制御する。

【0069】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0070】

本実施形態では、内部空間５６ａにおける相対湿度が所定の相対湿度以下をキープするように、処理回路部７０は、ヒータ７２への通電をフィードバック制御する。上記したように、相対湿度が低いほど疲労指数ｎが大きくなる。したがって、ヒータ７２の熱により、所定の相対湿度以下をキープするようにすると、可動部５２ａの疲労寿命を伸長することができる。

【0071】

また、徐々にリークが進行して本来であれば相対湿度が変化するような場合でも、相対湿度に基づいてヒータ７２をフィードバック制御するため、内部空間５６ａにおける相対湿度が所定の相対湿度以下にキープすることができる。これにより、可動部５２ａの疲労寿命を伸長することができる。

【0072】

さらに本実施形態では、３５％ＲＨ以下となるように、ヒータ７２の通電が制御される。上記（図１１及び図１２参照）したように、疲労指数ｎは、相対湿度が低いほど大きくなり、特に相対湿度３５％以下において、大きく増加する。したがって、３５％ＲＨ以下となるようにすると、可動部５２ａの疲労寿命をより効果的に伸長することができる。

【0073】

また、ヒータ７２によって内部空間５６ａの温度を変化させながらも、可動部５２ａの疲労寿命を把握することができる。

【0074】

なお、本実施形態では、所定湿度が３５％ＲＨ以下となるように、ヒータ７２への通電が制御される例を示したが、基準湿度は３５％ＲＨ以下に限定されるものではない。相対湿度が低いほど疲労寿命が伸長するので、例えば５０％ＲＨ以下となるように、ヒータ７２への通電が制御されるようにしても良い。

【0075】

（第４実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体パッケージ５０と共通する部分についての説明は割愛する。

【0076】

本実施形態では、図１７に示すように、半導体パッケージ５０が、内部空間５６ａに収容され、内部空間５６ａの温度を検出する温度センサ７４を、さらに備えることを特徴とする。図１７は、第１実施形態に示す構成に、温度センサ７４を負荷したものとなっている。

【0077】

ヒータ７２の配置の一例を図１８に示す。図１８では、温度センサ７４としてチップサーミスタを採用している。温度センサ７４は、収容部５６を構成するベース５８に固定されており、端子６２及び配線６８を介して処理回路部７０と電気的に接続されている。

【0078】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0079】

本実施形態では、内部空間５６ａの温度を温度センサ７４に測定することができるので、この温度測定結果を元に、湿度センサ５４の出力を補正することができる。これにより、相対湿度の検出精度がより向上し、ひいては可動部５２ａの疲労寿命をより正確に把握することが可能となる。

【0080】

また、図１１及び図１２に示すように、３５％ＲＨ以上では、相対湿度が同じであれば温度によらず疲労指数ｎがほぼ同じ値を示しているが、５％ＲＨでは、温度によって疲労指数ｎが異なっている。本実施形態によれば、温度センサ７４により内部空間５６ａの温度を測定することができるので、可動部５２ａの疲労寿命をさらに精度よく把握することができる。

【0081】

なお、温度センサ７４の配置は、図１８の例に限定されるものではない。温度センサ７４を、ＭＥＭＳデバイス５２や湿度センサ５４と一体的に（１チップで）形成することもできる。

【0082】

また、上記した第２実施形態、第３実施形態において、温度センサ７４を備える構成としても良い。

【0083】

（第５実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体パッケージ５０と共通する部分についての説明は割愛する。

【0084】

第１実施形態では、内部空間５６ａに封入される気体について特に言及しなかった。本実施形態では、内部空間５６ａに、気体の一部として、窒素、酸素、若しくは希ガスが封入されることを特徴とする。上記ガスは、内部空間５６ａに封入される気体の一部であり、気体としてはそれ以外にも水蒸気が存在するため、相対湿度を検出することができる。なお、希ガス（不活性ガスともいう）としては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンなどがある。

【0085】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0086】

本実施形態では、気体の一部として、窒素、酸素、若しくは希ガスを封入し、これらガスは水蒸気をほとんど含んでいない。したがって、内部空間５６ａにおける相対湿度を低くすることができる。これにより、可動部５２ａの疲労寿命を伸長することができる。

【0087】

なお、相対湿度が低い乾燥空気を封入しても同様の効果を奏することができる。

【0088】

また、上記した第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態において、上記ガスを封入する構成としても良い。

【0089】

（第６実施形態）
本実施形態において、第１実施形態に示した半導体パッケージ５０と共通する部分についての説明は割愛する。

【0090】

本実施形態では、図１９に示すように、半導体パッケージ５０が、内部空間５６ａに収容される吸湿剤７６をさらに備えることを特徴とする。

【0091】

吸湿剤７６としては、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲルなどを採用することができる。メソポーラスシリカは、例えばＭＥＭＳデバイス５２上に成膜することができる。また、ゼオライトやシリカゲルについては、例えば収容部５６に固定することができる。

【0092】

本実施形態では、吸湿剤７６としてシリカゲルを採用しており、この吸湿剤７６は、キャップ６０の底部内壁に固定されている。

【0093】

次に、本実施形態に係る半導体パッケージ５０の効果について説明する。

【0094】

本実施形態では、内部空間５６ａに配置された吸湿剤７６が水分を保持するため、これにより、内部空間５６ａにおける相対湿度を低くすることができる。そして、可動部５２ａの疲労寿命を伸長することができる。

【0095】

なお、上記した第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態において、吸湿剤７６を配置する構成としても良い。

【0096】

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

【0097】

中空に可動部５２ａ及び湿度センサ５４が保持される構成としては、上記したＣＡＮパッケージに限定されるものではない。キャビティ構造を有するセラミックパッケージを採用することもできる。例えば、図２０に示す第１変形例では、収容部５６を構成するベース５８及びキャップ６０が、セラミックからなる。端子６２は、ベース５８の周縁部に固定されるとともに外部に引き出されている。そして、低融点の封止用ガラス７８により、ベース５８とキャップ６０が接続され、これにより内部空間５６ａが封止されている。内部空間５６ａから外部に引き出された端子６２は、配線６８を介して処理回路部７０と電気的に接続されている。

【0098】

また、図２１に示す第２変形例に示すように、キャビティ構造を有するモールドパッケージを採用することもできる。図２１では、ＭＥＭＳデバイス５２を構成する基板に、湿度センサ５４も構成されている。そして、可動部５２ａ及び湿度センサ５４を中空に保持するように、シリコンからなる収容部５６（キャップ）が、ＮＥＮＳデバイス５２を構成するシリコンに接合されている。湿度センサ５４を備えるＭＥＭＳデバイス５２は、リードフレームのアイランド８０に固定されている。なお、処理回路部７０も同一のアイランド８０に固定されている。

【0099】

ＭＥＭＳデバイス５２及び湿度センサ５４は、ボンディングワイヤ８２を介してリード８４と電気的に接続されている。そして、湿度センサ５４を備えるＭＥＭＳデバイス５２、収容部５６、アイランド８０，ボンディングワイヤ８２、及びリード８４の一部が、封止樹脂体８６により、一体的に封止されている。

【0100】

このように、収容部５６をＭＥＭＳデバイス５２に固定して、可動部５２ａを中空に保持する構成とすると、内部空間５６ａの容積を小さくすることができる。したがって、ヒータ７２や吸湿剤７６を備える構成では、ヒータ７２や吸湿剤７６の効果を高めることができる。この場合、収容部５６の空間とＭＥＭＳデバイス５２における可動部５２ａ周囲の空間とにより、内部空間５６ａが形成され、この内部空間５６ａに気体が封入される。

【0101】

それ以外にも、図２１において封止樹脂体８６を有さない構成、すなわち、湿度センサ５４を備えるＭＥＭＳデバイス５２に、シリコンからなる収容部５６が接合される構成を採用することができる。また、ＭＥＭＳデバイス５２に、ガラスからなる収容部５６が接合される構成を採用することもできる。

【0102】

なお、湿度センサ５４を備えるＭＥＭＳデバイス５２、すなわち、ＭＥＭＳデバイス５２と湿度センサ５４が同一チップとされる構成を、上記した各実施形態において適用することもできる。

【0103】

また、可動部５２ａを構成するシリコンとしては、単結晶シリコンに限定されず、多結晶シリコン、アモルファスシリコンを採用することもできる。

【符号の説明】

【0104】

１０・・・試験片、１２・・・基板、１４・・・錘部、１６・・・枠部、１８・・・マスク、２０・・・メンブレン、２０ａ・・・最大応力印加点、２２・・・シリコン窒化膜、２４・・・シリコン酸化膜、２６・・・多結晶シリコン膜、３０・・・試験装置、３２・・・恒温恒湿槽、３４・・・振動試験器、３６・・・加速度計、３８・・・レーザ変位計、４０・・・コントローラ、４２・・・データロガー、５０・・・半導体パッケージ、５２・・・ＭＥＭＳデバイス、５２ａ・・・可動部、５４・・・湿度センサ、５６・・・収容部、５６ａ・・・内部空間、５８・・・ベース、６０・・・キャップ、６２・・・端子、６４・・・ボンディングワイヤ、６６・・・配線基板、６８・・・配線、７０・・・処理回路部、７２・・・ヒータ、７４・・・温度センサ、７６・・・吸湿剤、７８・・・封止用ガラス、８０・・・アイランド、８２・・・ボンディングワイヤ、８４・・・リード、８６・・・封止樹脂体、

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】