JP2005181065A - 半導体圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 導体部とセンサチップとを金製のボンディングワイヤを介して電気的に接続し、これらを保護部材にて包み込むように封止してなる半導体圧力センサ装置において、高圧が印加されても保護部材中に気泡が発生しないようにする。
【解決手段】 導電材料よりなる導体部４と、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップ２と、センサチップ２と導体部４とを電気的に接続する金製のボンディングワイヤ６と、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有し、センサチップ２およびボンディングワイヤ６を包み込むように被覆して保護する保護部材７とを備える半導体圧力センサ装置において、保護部材７は、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものであり、ボンディングワイヤ６は、その線径が３８μｍ以上のものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、導電材料よりなる導体部と半導体よりなるセンサチップとを金製のボンディングワイヤを介して電気的に接続し、これらを電気的な絶縁性且つ柔軟性を有する保護部材にて包み込むように封止してなる半導体圧力センサ装置に関する。

従来より、この種の半導体圧力センサ装置としては、たとえば、自動車におけるエンジン吸気圧等の負圧を検出するものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

このものは、導電材料よりなる導体部と、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップと、センサチップと導体部とを電気的に接続するボンディングワイヤと、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有しセンサチップおよびボンディングワイヤを包み込むように被覆して保護する保護部材とを備える半導体圧力センサ装置である。

このような半導体圧力センサ装置では、センサチップおよびボンディングワイヤの保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などを図る必要があるため、これらセンサチップおよびボンディングワイヤを、ゲルなどからなる保護部材により被覆している。
特開２００１−１５３７４６号公報

ところで、本発明者の検討によれば、上記した従来の半導体圧力センサ装置において、測定圧力をより高圧化した場合、次のような問題が発生することがわかった。

たとえば、エンジンの吸気圧測定を行う場合、現在のところ、自動車のエンジンの吸気圧は、最も高いものでも、３００ｋＰａまでであるが、今後は、エンジンの性能向上に伴い、過給圧のさらなる高圧化が予想される。

そこで、本発明者は、高過給圧化に備え、上記した従来の半導体圧力センサ装置を用いて、４００ｋＰａ程度の圧力差を有する圧力サイクル試験を行ったところ、保護部材中に気泡が発生し（図３参照）、さらに圧力サイクルを継続すると、保護部材の表面に至る割れが発生するという不具合が起こった。

このような割れが保護部材の表面からセンサチップやボンディングワイヤに達すると、割れ目から水分などが侵入し、センサ特性が損なわれてしまう恐れがある。

本発明は、上記問題に鑑み、導体部とセンサチップとをボンディングワイヤを介して電気的に接続し、これらを保護部材にて包み込むように封止してなる半導体圧力センサ装置において、高圧が印加されても保護部材中に気泡が発生しないようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、鋭意検討を行った。高圧が印加されると保護部材中に気泡が発生する原因は、高圧印加によって保護部材中に空気が溶け込み、常圧に戻ったときにこの溶け込んだ空気が気泡となるためと考えられる。

そこで、保護部材を硬くしてやれば気泡が発生しにくくなると考え、ゲルの硬さを示す「針入度」をパラメータとして調査した。ここで、針入度は、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度とし、この針入度が小さいほど硬いものである。

そして、本発明者らの実験調査の結果、保護部材の当該針入度が３０以下であれば、従来よりも高い圧力が半導体圧力センサ装置に印加されても、保護部材中の気泡の発生が防止できることがわかった（図３参照）。

ただし、保護部材が針入度が３０以下まで硬くなると、冷熱サイクルなどによる保護部材の膨張・収縮により、ボンディングワイヤに大きなストレスが加わり、ワイヤの断線に至る恐れがある。

そこで、さらに検討を進め、この種の半導体圧力センサ装置に通常用いられる金からなるボンディングワイヤにおいて、その線径を変えて、冷熱サイクル試験を行った結果、ボンディングワイヤの線径が３８μｍ以上と太いものであれば、断線の可能性を大幅に低減できることを見出した。

請求項１に記載の発明は、上述したような本発明者が行った実験検討の結果に基づき、高圧が印加されても保護部材中に気泡が発生しないようにするとともに、冷熱サイクルなどによる金製ボンディングワイヤの断線を極力抑制することを目的として、創出されたものである。

すなわち、請求項１に記載の発明では、導電材料よりなる導体部（４）と、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップ（２）と、前記センサチップ（２）と前記導体部（４）とを電気的に接続する金からなるボンディングワイヤ（６）と、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有し、前記センサチップ（２）および前記ボンディングワイヤ（６）を包み込むように被覆して保護する保護部材（７）とを備える半導体圧力センサ装置において、前記保護部材（７）は、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものであり、前記ボンディングワイヤ（６）は、その線径が３８μｍ以上のものであることを特徴としている。

それによれば、保護部材（７）を、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものと硬くすることで、高圧印加による気泡の発生を防止し、金製のボンディングワイヤ（６）の線径を３８μｍ以上と太くすることで、冷熱サイクルなどによる断線を大幅に抑制することができる。

したがって、本発明によれば、導体部（４）とセンサチップ（２）とを金製のボンディングワイヤ（６）を介して電気的に接続し、これらを保護部材（７）にて包み込むように封止してなる半導体圧力センサ装置において、高圧が印加されても保護部材（７）中に気泡が発生しないようにすることができる。

また、本発明によれば、冷熱サイクルなどによるボンディングワイヤ（６）の断線を極力抑制することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の半導体圧力センサ装置において、保護部材（７）の針入度は、好ましくは、２０以下である。

また、請求項３に記載の発明のように、請求項１または請求項２に記載の半導体圧力センサ装置においては、前記保護部材（７）はフッ素系の樹脂材料よりなるものにすることができる。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３に記載の半導体圧力センサ装置において、前記検出される圧力は、自動車におけるエンジン吸気圧であることを特徴としている。

本発明の半導体圧力センサ装置は、自動車のエンジン吸気圧測定用の圧力センサ装置に適用することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、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一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。本実施形態においては、本発明の半導体圧力センサ装置を、自動車のエンジン吸気圧測定用の圧力センサ装置に適用したものとして説明する。

図１は、本実施形態に係るフル充填構造を有するセンサ装置１００を要部で切断した状態の縦断面図であり、図２は、同センサ装置１００の概略的な平面図である。

これら図１および図２において、樹脂パッケージ１は、例えばフィラーが充填されたエポキシ樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）の樹脂等よりなるもので、その上面には、後述するセンサチップ２をマウントするための凹部３が形成されている。

樹脂パッケージ１には、銅などの導電材料よりなる複数本のインサートピン４（本発明でいう導体部に相当）がインサート成形により一体的に設けられている。

図２に示されるように、これらインサートピン４のうち所定の４本は、上記凹部３の底面における四隅部に露出した状態となるように配置されている。この場合、各々のインサートピン４の露出部分には、金メッキが施されることにより、ボンディングパッド４ａとして機能するように構成されている。

上記センサチップ２は、周知の半導体ダイアフラム式の構成を有するものであり、たとえば単結晶シリコンなどのピエゾ抵抗効果を有した材料よりなるダイアフラム２ａ上に、図示しない複数個の拡散抵抗を形成して、これら拡散抵抗をブリッジ接続した構成となっている。

そして、センサチップ２においては、このダイアフラム２ａの変形に応じた拡散抵抗の抵抗値変化を上記ブリッジ回路から電気信号として取り出すようになっている。

このセンサチップ２は、上記凹部３の底面にガラス台座５を介して例えばフロロシリコーン系の接着剤５ａによりダイボンディングされるとともに、インサートピン４のボンディングパッド４ａに対し金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ６を介して電気的に接続されている。

ここで、本実施形態においては、ボンディングワイヤ６は、その線径が３８μｍ以上の金ワイヤとしており、具体的には、線径が３８μｍのものや線径が５０μｍのものを採用することができる。

上記凹部３内には、センサチップ２およびボンディングワイヤ６の保護、電気的な絶縁性の確保、並びに防食などを図るための絶縁材料製の保護部材７が、センサチップ２およびボンディングワイヤ６を埋めるように充填されている。

この保護部材７は、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有するもので、この保護部材７により、センサチップ２、ボンディングワイヤ６、センサチップ２とボンディングワイヤ６との接続部、および、インサートピン４とボンディングワイヤ６との接続部が、被覆され保護されている。

このような保護部材７は、柔軟性を有するフッ素系樹脂材料（本例ではフッ素ゲルまたはフロロシリコーンゲル）を用いて、塗布およびその後の熱硬化処理（たとえば、１２５〜１５０℃で１時間加熱）を行うことで凹部３へ充填される。

この保護部材７の厚さｔは凹部３の深さに実質的に対応するが、当該厚さｔは１．５ｍｍ以上であり、これは、このような半導体圧力センサ装置１００の構成上、必要な厚さである。

ここで、本実施形態では、保護部材７は、ＪＩＳ（日本工業規格） Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものであり、好ましくは針入度が２０以下のものである。

なお、このように保護部材７の針入度すなわち硬さを調整することは、保護部材７を構成する樹脂材料における架橋剤の量を増加させるなどにより、樹脂の重合度を調整してやれば、容易に行うことができる。

また、樹脂パッケージ１内には、センサチップ２の出力信号を増幅するための増幅回路８およびその増幅率などの回路定数を調節するためのトリミング回路９が設けられており、センサチップ２および増幅回路８の間は図示しないリードフレーム等によって互いに接続されている。

上記のように構成された半導体圧力センサ装置１００は、図示しないハウジングにより収納された状態で、その凹部３が自動車におけるエンジン吸気路と連通した状態で配置されるものであり、これによりセンサチップ２によって負圧（エンジン吸気圧）を検出できるように構成される。

かかる半導体圧力センサ装置１００においては、保護部材７の表面は、測定媒体（エンジンの吸入空気）にさらされている。そして、検出されるべき圧力は、保護部材７を通じてセンサチップ２に伝達される。

センサチップ２では、ピエゾ抵抗効果により、圧力が電気信号に変換される。その電気信号は、上記増幅回路８やトリミング回路９によって増幅・調整され、外部へ出力されるようになっている。

ところで、本実施形態によれば、導電材料よりなる導体部としてのインサートピン４と、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップ２と、センサチップ２とインサートピン４とを電気的に接続する金からなるボンディングワイヤ６と、電気的な絶縁性且つ柔軟性を有し、センサチップ２およびボンディングワイヤ６を包み込むように被覆して保護する保護部材７とを備える半導体圧力センサ装置において、保護部材７は、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものであり、ボンディングワイヤ６は、その線径が３８μｍ以上のものであることを特徴とする半導体圧力センサ装置Ｓ１が提供される。

それによれば、保護部材７を、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下（好ましくは２０以下）のものと硬くすることで、高圧印加による気泡の発生を防止し、金からなるボンディングワイヤ６の線径を３８μｍ以上と太くすることで、冷熱サイクルなどによる断線を大幅に抑制することができる。

したがって、本実施形態によれば、半導体圧力センサ装置において、高圧が印加されても保護部材７中に気泡が発生しないようにできるとともに、冷熱サイクルなどによるボンディングワイヤ６の断線を極力抑制することができる。

次に、保護部材７において、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度を３０以下としたことの具体的な効果について述べる。なお、本実施形態は、この具体例に限定されるものではない。

本実施形態の半導体圧力センサ装置１００において、保護部材７の針入度を２０としたものを作製した。また、比較例として、保護部材７の針入度を４０とした従来品も作製した。

そして、これら本実施形態および従来の半導体圧力センサ装置について、最大圧力をたとえば１秒間程度、最小圧力をたとえば１秒間程度というように、圧力変化を繰り返し行う圧力サイクル試験を行った。図３は、その圧力サイクル試験の結果を示す図である。

図３では、横軸に、上記圧力サイクル試験における最小圧力（単位：ｋＰａ）、縦軸に最大圧力（単位：ｋＰａ）を示しており、たとえば、図中、一番左下に位置する白丸プロットでは、最小圧力が１０ｋＰａ、最大圧力が２５０ｋＰａの圧力サイクルを行ったことを意味する。

また、図３中、白丸プロット（○）およびクロスプロット（×）が上記した比較例としての半導体圧力センサ装置の結果を示すものであり、黒丸プロット（●）が本実施形態の半導体圧力センサ装置の結果を示すものである。

圧力サイクル試験は各条件すなわち各プロットについて、数十個のサンプル評価を行い、白丸プロットおよび黒丸プロットは、これら数十個のサンプルのすべてにおいて２００万サイクルまで保護部材７に気泡が発生しなかったことを示し、クロスプロットは少なくとも１個のサンプルにおいて２００万サイクル未満で保護部材７に気泡が発生したことを示す。

図３に示されるように、針入度を４０とした比較例すなわち従来品では、圧力差が３００ｋＰａ程度すなわち従来の圧力差ならば、圧力サイクル試験において保護部材７に気泡が発生しない。

しかしながら、従来品では、図３中の線Ｋよりも上の領域すなわち従来よりも大きい４００ｋＰａ程度の圧力差を有する圧力サイクル試験を行った場合には、保護部材７中に気泡が発生した。

それに対して、図３に示されるように、保護部材７の針入度を２０とした本実施形態のものでは、圧力差が従来よりも大きい５００ｋＰａ程度の場合において、保護部材７に気泡は発生しなかった。

そして、本発明者は、同様の圧力サイクル試験を行い、従来よりも大きい圧力差の場合において、気泡の発生が見られない針入度の範囲は３０以下であることを確認した。

このように、本実施形態では、保護部材７の針入度を３０以下（好ましくは２０以下）と硬くすることで、従来よりも高い圧力が印加されても保護部材７中に気泡が発生しないようにすることができる。

また、保護部材７において、金からなるボンディングワイヤ６の線径を３８μｍ以上としたことの具体的な効果は、次の通りである。

半導体圧力センサ装置Ｓ１において、ボンディングワイヤ６の線径を３８μｍとした本実施形態のものと、ボンディングワイヤ６の線径を３０μｍとした比較例とを作製した。そして、これら本実施形態および比較例のものについて、−４０℃と１２５℃との冷熱サイクル試験を行い、断線の有無を調査した。

その結果、金ワイヤの線径を３８μｍとした本実施形態のものは、線径を３０μｍとした比較例のものに比べて、断線するまでのサイクル数は２倍であり、長寿命化が図れた。つまり、金製ボンディングワイヤ６の線径が３８μｍ以上と太いものであれば、断線の可能性を大幅に低減できることがわかった。

（他の実施形態）
なお、センサチップ２としては、圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生するものであれば、上記した半導体ダイアフラム式のものでなくてもよい。

また、本発明の半導体圧力センサ装置の用途は、自動車のエンジン吸気圧測定用の圧力センサ装置に限定されるものではなく、それ以外の圧力を検出するセンサとして適用してもよいことはもちろんである。

要するに、本発明は、導電材料よりなる導体部４と半導体よりなるセンサチップ２とを金製のボンディングワイヤ６を介して電気的に接続し、これらを電気的な絶縁性且つ柔軟性を有する保護部材７にて包み込むように封止してなる半導体圧力センサ装置１００において、保護部材７の針入度およびボンディングワイヤ６の線径を規定したことを要部とするものであり、その他の部分は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る半導体圧力センサ装置の要部縦断面図である。 図１に示す半導体圧力センサ装置の概略平面図である。 圧力サイクル試験の結果を示す図である。

符号の説明

２…センサチップ、４…導体部としてのインサートピン、６…ボンディングワイヤ、
７…保護部材。

Claims (4)

1. 導電材料よりなる導体部（４）と、
   圧力を検出してその検出値に応じたレベルの電気信号を発生する半導体よりなるセンサチップ（２）と、
   前記センサチップ（２）と前記導体部（４）とを電気的に接続する金からなるボンディングワイヤ（６）と、
   電気的な絶縁性且つ柔軟性を有し、前記センサチップ（２）および前記ボンディングワイヤ（６）を包み込むように被覆して保護する保護部材（７）とを備える半導体圧力センサ装置において、
   前記保護部材（７）は、ＪＩＳ Ｋ２２２０ １／４コーンで規定される針入度が３０以下のものであり、
   前記ボンディングワイヤ（６）は、その線径が３８μｍ以上のものであることを特徴とする半導体圧力センサ装置。
2. 前記保護部材（７）は、前記針入度が２０以下のものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体圧力センサ装置。
3. 前記保護部材（７）はフッ素系の樹脂材料よりなることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体圧力センサ装置。
4. 前記検出される圧力は、自動車におけるエンジン吸気圧であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の半導体圧力センサ装置。
   

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