JP2005505764A - 防食圧力変換器 - Google Patents

Abstract

半導体ダイヤフラムと、エレクトロニクスと、リード線（４８）がソニック結合された導電パッド（４６）とを備えたチップ（４２）を有する、排気ガス圧力を測定するための防食圧力変換器である。内燃機関の排気ガスによる変換器の劣化を防止するべく、チップは、薄いガラス・パッシベーション層と、真空蒸着重合体コーティングと、真空蒸着重合体コーティングの上にゲル層とを備えている。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、高振動及び腐食性流体を始めとする不利な条件下で使用するための超高信頼圧力センサ・アセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、米国特許第５，９３５，１８９号に開示されているように、圧力センサを使用して内燃機関の排気圧力を感知することができる。内燃機関の排気ガスには、水分及び極めて腐食性の強いガスが含まれている。表面に極めて薄いガラス・パッシベーション層を備えた半導体圧力センサの使用が予てより提案されている。また、ゲルを使用してさらに腐食が防止されている。これについては、米国特許出願第０９／２０４，３２６号を参照されたい。しかしながら、以下で考察するように、これらのセンサは、ゲルが追加されている場合であっても、あるいは追加されていない場合であっても、いずれにせよガラス・コーティングにもかかわらず腐食劣化を余儀なくされている。
【０００３】
ついでながら、センサ自体は、すべて本発明の譲受人に譲渡された、米国特許第５，９２９，４９８号及び第５，５７８，８４３号に開示されており、また、２０００年１１月２日出願の米国特許出願第０９／７０４，３７６号（事件要領書４１０００５−１４４）に開示されている。これらの従来技術の特許及び特許出願の明細書及び図面は、参照により本明細書に組み込まれている。また、電子半導体チップ・アセンブリを保護するべく、真空蒸着重合体コーティングが既に使用されていることに留意されたい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一態様によれば、自動車排気ガスの不利な環境においては、ガラス・パッシベーション及びゲルによる保護の下であっても、半導体圧力変換器は、ゲルを通して侵入する水分による重大な劣化を常に余儀なくされることが分かっている。より詳細には、チップ上の導電パッドに鉛がソニック結合すると、微小クラックが形成され、それにより腐食性ガス及び水分が浸入することになる。また、ピン・ホール開口が薄いガラス層中に存在することになる。
【０００５】
この問題を解決するべく、ガラス層及びゲルに加えて、さらに真空蒸着重合体コーティングを追加することにより、有効な追加防食保護が得られることが確認されている。したがって、導電ワイヤ・ボンディング・パッド及びソニック溶接されたリード線を備え、かつ、ガラス・パッシベーションで覆われた基板上に実装された半導体圧力ダイヤフラム及び関連するエレクトロニクス、追加ゲル、及び半導体素子及びリード・ボンディング領域の完全な保護を保証するための気相成長重合体コーティングを使用することにより、内燃機関の不利な振動及び腐食性の強い環境で使用するための、敏感で、かつ、信頼性の高い防食圧力センサ・システムを実現することができる。薄いガラス層によって半導体材料の酸化が防止され、真空成形重合体層が蒸着され、最後にゲル層によってサブアセンブリが覆われることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の特徴によれば、防食圧力変換器システムは、半導体ダイヤフラムであることが好ましいダイヤフラム及び導電パッドを備えた可変コンデンサを有するチップを備えた圧力変換器を、可変コンデンサ及びパッドに結合された追加電子回路と共に有している。チップは、ガラス・パッシベーション、パッドにソニック結合されたワイヤ、パッドを備えたチップを覆っている真空蒸着重合体コーティング、ワイヤ接続及びリード線を有している。また、重合体コーティングを蒸着する前又は蒸着した後にチップを覆うべく、ゲルが任意選択で提供されている。
【０００７】
要約すると、一般的には、圧力センサの腐食劣化を防止するためには、ガラス・パッシベーション層及びゲル層が適切であることが期待されるが、（１）ワイヤ・ボンディングによって生成されるクラック、（２）自動車排気システムに存在する振動、及び（３）極めて腐食性の強い排気ガス及び水分のため、長寿命で信頼性が高く、かつ、信頼し得る圧力センサを提供するためには、上で概説したように、さらなる保護が望ましいことが確認されている。
【０００８】
本発明の他の目的、特徴及び利点については、以下の詳細な説明及び添付の図面を考察することによって明らかになるであろう。
【実施例】
【０００９】
図面をより詳細に参照すると、図１に、二重排気管１４及び１６を備え、かつ、排気管１４及び１６の圧力を感知するべく取り付けられた容量性センサ１８及び２０を備えた内燃機関１２が示されている。排気管１４及び１６は、継ぎ合わされ、かつ、当然のことではあるが自動車に取り付けることができるシステムから最終排気へのルート上の接触コンバータ２２に導かれている。
【００１０】
次に図２を参照すると、この図は、本発明の譲受人に譲渡された、１９９９年７月２７日に承認された米国特許第５，９２９，４９８号の図７と同じである。図２では、ダイヤフラム３２に可変圧力が印加され、その可変圧力に応じてダイヤフラム３２が内側に、半導体構造３６中の空洞３４に向かって撓んでいる。このダイヤフラム３２の撓みにより、図２に示す半導体ユニットの電気状態が変化し、ダイヤフラム３２に印加される圧力の変化に対応した出力信号が提供される。図２に示すアセンブリのさらに詳細な動作モードについては、上で言及した米国特許第５，９２９，４９８号を参照されたい。
【００１１】
図３は、図２に示すダイヤフラム３２を備えた電子チップ４２を示したもので、この実施例では、ダイヤフラム３２は円で示されている。その近傍の小さい方の円４４は、コンデンサを示している。チップ４２上には多数の追加半導体素子が実装され、また、図に示す導電パッド４６には、リード線４８がソニック結合されている。リード線４８は、チップ４２上の電子素子に電力を提供し、また、チップからの出力に、ダイヤフラム３２に印加される圧力の変化に対応した信号を提供している。
【００１２】
図４は、導電パッド４６にソニック結合されたリード線４８を拡大図で示したものである。リード線４８を導電パッド４６にソニック結合している間、ソニック結合工程によって導電パッド４６にクラック及び開口５０が生じることに留意されたい。クラックが生成されると、その領域は、開口５０に侵入する有害ガス及び有害ガスに結合した水分又は水蒸気に起因する腐食による化学損傷を受けやすくなる。図３に示す多数の導電パッド４６上でこれが繰り返されると、圧力センサの機能が常に大きく劣化することになる。
【００１３】
次に図５を参照すると、ダイヤフラム６６を有するチップ６４を備えた圧力センサ・アセンブリ６２が略図で示されている。矢印６８で示す圧力が印加されるとダイヤフラム６６が撓み、印加された圧力の指示が、例えば図３に示すリード線４８に図式的に対応しているリード線７０を介して伝送される。チップ６４の上部能動表面は、極めて薄いガラス・パッシベーション層で覆われている。このガラス・パッシベーション層は非常に薄く、したがってチップ６４の上部表面すなわち境界を示す上部の線によって基本的に示されている。チップ６４上のパッドへのリード線７０のソニック結合に続いて、真空成形重合体コーティング７２がチップ６４及び導電リード線７０に塗布されている。ダイヤフラム６６に印加される、矢印６８で示す圧力を伝導すなわち伝達するゲル層７４が、チップ６４の上部表面を覆っている。図に示すように、このゲル層７４を重合体誘電材料でできた任意選択の真空成形コーティングの追加層７６が覆っている。
【００１４】
図５に示すアセンブリの場合、２つの真空蒸着重合体誘電コーティング層７２及び７６を提供することができ、あるいはそれらのうちのいずれか一方のみを使用することができる。この真空蒸着重合体誘電コーティングには、Ｓｐｅｅｄｌｉｎｅ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ（４４３５ Ｅａｓｔ Ａｉｒｐｏｒｔ Ｄｒｉｖｅ、Ｓｕｉｔｅ １００、Ｏｎｔａｒｉｏ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、９１７６１−８１５７）が市販している、Ｐａｒｙｌｅｎｅ（商標）で知られている製品を使用することができる。
【００１５】
以上、本発明による好ましい実施例を、前記詳細説明及び添付の図面を参照して開示したが、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更及び改変を加えることが可能である。したがって、何ら制限されることのない実施例では、指示されているように参照数表示７２及びリード線７０上にのみ真空蒸着コーティングを適用し、追加コーティング７６は省略することができる。別法としては、真空蒸着コーティング７２を省略してコーティング７６を適用することができ、あるいは両方のコーティングを使用することも可能である。また、上で識別した特定の真空成形コーティングの代わりに、薄い統合コーティングを形成する他のコーティングを使用することも可能である。さらに、図２に示すような特定の容量性半導体ダイヤフラム・アセンブリの代わりに、フレキシブル・ダイヤフラムを使用した他の圧力センサを使用することも可能である。したがって、本発明は、上で詳細に説明し、かつ、図面で示した通りの実施例に何ら制限されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】内燃機関の排気システムに結合された圧力変換器を備えたエンジンを示す図である。
【図２】半導体圧力感応ダイヤフラムを示す図である。
【図３】セラミック基板及びその上に半導体素子を備えたチップであって、半導体素子が、チップ上の導電パッドに結合されたワイヤを備えたチップを示す図である。
【図４】電子チップ上のパッドにソニック結合されたリード線を示す拡大図である。
【図５】ガラス・パッシベーション、真空蒸着重合体コーティング及びゲルで保護された半導体ダイヤフラムを備えたチップを示す図である。

Claims (13)

1. 防食圧力変換器システムであって、
   排気システムを有する自動車と、
   前記排気システムの圧力を感知するべく取り付けられた、半導体ダイヤフラム及び導電パッドを有するチップを備えた圧力変換器と、
   ダイヤフラム及び前記導電パッドに結合された前記チップ上に実装された電気回路と、
   前記導電パッドにソニック結合されたワイヤであって、前記チップがその上にガラス・パッシベーション・コーティングを有し、前記ガラス・パッシベーション・コーティングが、前記チップの上部表面及び前記チップ上の前記回路と密に接触したワイヤと、
   前記ガラス・コーティングが施された、前記導電パッドを備えたチップを覆い、かつ、その前記上部表面を密閉している真空蒸着重合体誘電コーティングと、
   前記チップを覆っているゲル材料層とを備え、前記ガラス・コーティング中の可能ピンホールあるいは前記導電パッド中の可能クラックが、前記排気システムの腐食性排気ガスに対して密閉される防食圧力変換器システム。
2. 前記ゲル材料が前記チップ及び前記重合体コーティングを覆っている、請求項１に記載のシステム。
3. 他の真空成形重合体コーティングが前記ゲル材料層を覆っている、請求項１に記載のシステム。
4. 防食圧力変換器システムであって、
   排気システムを有する自動車と、
   前記排気システムの圧力を感知するべく取り付けられた、半導体ダイヤフラム及び導電パッドを有するチップを備えた圧力変換器と、
   前記導電パッドにソニック結合されたワイヤであって、前記チップがその上にガラス・パッシベーション・コーティングを有し、前記ガラス・パッシベーション・コーティングが、前記チップの上部表面及び前記チップ上の回路と密に接触したワイヤと、
   前記ガラス・コーティングが施された、前記導電パッドを備えたチップを覆い、かつ、その前記上部表面を密閉しているシーリング誘電コーティングとを備え、前記ガラス・コーティング中の可能ピンホールあるいは前記導電パッド中の可能クラックが、前記排気システムの腐食性排気ガスに対して密閉される防食圧力変換器システム。
5. 前記チップを覆うゲル材料をさらに備えた、請求項４に記載のシステム。
6. 前記チップ上に実装された電子素子をさらに備えた、請求項４に記載のシステム。
7. 防食圧力変換器システムであって、
   半導体ダイヤフラム及び導電パッドを有するチップを備えた圧力変換器と、
   前記チップを覆っているゲル材料と、
   前記導電パッドにソニック結合されたワイヤであって、前記チップがその上にガラス・パッシベーション・コーティングを有し、前記ガラス・パッシベーション・コーティングが、前記チップの上部表面及び前記チップ上の回路と密に接触したワイヤと、
   前記ガラス・コーティングが施された、前記導電パッドを備えたチップを覆い、かつ、その前記上部表面を密閉している真空蒸着重合体誘電コーティングとを備え、前記ガラス・コーティング中の可能ピンホールあるいは前記導電パッド中の可能クラックが、不利な環境条件に対して密閉される防食圧力変換器システム。
8. 防食圧力変換器システムであって、
   フレキシブル・ダイヤフラム及び導電パッドを有するチップを備えた圧力変換器と、
   ダイヤフラム及び前記導電パッドに結合された前記チップ上に実装された電気回路と、
   前記導電パッドに結合されたワイヤと、
   前記導電パッドを備えた前記チップを覆い、かつ、その上部表面を密閉しているシーリング重合体誘電コーティングと、
   前記チップを覆っている追加保護層とを備え、前記チップが不利な環境条件に対して密閉される防食圧力変換器システム。
9. ゲル材料が前記チップ及び前記重合体コーティングを覆っている、請求項８に記載のシステム。
10. 真空成形重合体コーティングがゲル材料層を覆っている、請求項８に記載のシステム。
11. 前記チップが極めて薄いガラス・パッシベーション・コーティングでコーティングされ、前記ガラス・パッシベーション・コーティングが、前記チップの前記上部表面及び前記チップ上の前記回路と密に接触している、請求項８に記載のシステム。
12. 前記システムが前記チップを覆うゲル層を備えた、請求項８に記載のシステム。
13. 前記ダイヤフラムが半導体材料で形成された、請求項８に記載のシステム。

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