JP2009036639A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップと外部接続リードとの電気的な接続状態が確保され、薄肉部の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制されたセンサ装置を提供する。
【解決手段】空洞部を有する基板上に検出部と配線部が形成され、検出部の抵抗体が空洞部上の薄肉部に形成されたセンサチップと、リードフレームの一部であり、センサチップが空洞部の開口された下面を対向面として配置された支持リード、及び、配線部と電気的に接続された外部接続リードと、支持リードとセンサチップとの間に配置され、接着剤を介して支持リードに固定されつつ、センサチップに接して固定された中間部材と、絶縁材料からなり、検出部及び薄肉部を露出させつつ、配線部と外部接続リードとの接続部位を被覆するように一体的に配置された封止部材とを備えたセンサ装置であって、中間部材は、その線膨張係数が基板とほぼ等しく、接着剤よりもヤング率の大きい材料から構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、空洞部上の薄肉部に検出部の抵抗体が形成されたセンサチップを有し、該センサチップが支持リード上に配置された状態で、薄肉部及び検出部が露出されるようにモールドされたセンサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、空洞部上の薄肉部に検出部の抵抗体が形成されたセンサチップを有し、該センサチップが支持リード上に配置された状態で、薄肉部及び検出部が露出されるようにモールドされたセンサ装置が知られている。

特許文献１に示される熱式空気流量センサでは、半導体センサ素子（センサチップ）において、半導体基板に形成された空洞上のダイアフラム（薄肉部）に、流量検出部を構成する発熱抵抗体が形成されている。そして、閉塞支持リード（支持リード）上に、半導体センサ素子が半導体基板の下面（発熱抵抗体の形成面の裏面）を接触面として配置され、流量検出部及びダイアフラムが露出されるように、電気的な各接続部がモールド材により一体的に被覆されている。
特許第３３２８５４７号

特許文献１に示されるセンサ装置では、折曲によって半導体基板の３つの側面に対応する位置決め部位が設けられた支持リードを採用しており、支持リード上にセンサチップが配置されている。このような構成においては、搭載性を考慮すると半導体基板に対して位置決め部位が若干余裕を持って形成されるため、センサチップに位置ずれが生じる恐れがある。また、センサチップが支持リードに対して固定されていないため、超音波を用いてセンサチップと外部接続リードとをワイヤボンディングする際に、超音波振動が逃げて接合状態を形成しにくいという問題がある。

そこで、本発明者は、下面全面を接着面としてセンサチップ（半導体基板）が支持リードに接着固定（ダイボンド）された構成を検討した。しかしながら、接着剤（ダイボンド材）として軟らかい接着剤（硬化後において加圧により変形するもの、硬化後のヤング率が１ＭＰａ程度）を用いた場合、モールド成形の際に、薄肉部がダメージを受ける（例えば破損する）という問題が生じた。これは、硬化後の接着剤がモールド成形時に押し広げられる影響でセンサチップに応力が生じ、この応力が薄肉部に集中することによって生じるものと考えられる。

また、上述の接着剤よりも硬い接着剤（硬化後において加圧によりほとんど変形しないもの）を用いた場合、センサ特性が変動するという問題が生じた。このセンサ特性の変動は、硬化後のヤング率が大きい（例えば１ＧＰａ程度）ほど顕著であった。これは、接着剤の硬化処理や使用環境での温度変化により、半導体基板と支持リードとの線膨張係数差に基づく応力などが生じ、剛性の低い半導体基板の薄肉部に応力が作用して、ピエゾ抵抗効果により抵抗値変化が生じたためと考えられる。また、変化した抵抗値がクリープによって徐々に変動したためと考えられる。

本発明は上記問題点に鑑み、センサチップと外部接続リードとの電気的な接続状態が確保され、薄肉部の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制されたセンサ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の発明は、空洞部を有する基板上に、検出部と検出部に接続された配線部が形成され、検出部を構成する抵抗体が空洞部上の薄肉部に形成されたセンサチップと、リードフレームの一部であり、一面上に、センサチップが空洞部の開口された下面を対向面として配置された支持リード、及び、配線部と電気的に接続された外部接続リードと、支持リードの一面とセンサチップの下面との間に配置され、樹脂成分を含む接着剤を介して支持リードの一面に固定されつつ、センサチップの下面に接して固定された中間部材と、絶縁材料からなり、検出部及び薄肉部を露出させつつ、配線部と外部接続リードとの接続部位を被覆するように一体的に配置された封止部材と、を備えたセンサ装置であって、中間部材は、その線膨張係数が基板とほぼ等しく、接着剤よりもヤング率の大きい材料から構成されていることを特徴とする。

このように本発明によれば、センサチップが中間部材に接して固定されており、中間部材が支持リードに接着固定されている。すなわち、センサチップが中間部材を介して支持リードに固定されている。これにより、センサチップの位置ずれが抑制され、またセンサチップと外部接続リードとの電気的な接続状態が確保される。

また、中間部材の線膨張係数が、センサチップを構成する基板の線膨張係数とほぼ等しくなっている。これにより、センサチップを構成する基板と該基板に隣接する部材との線膨張係数差に基づいて生じる応力が低減され、ひいてはピエゾ抵抗効果によるセンサ特性の変動が抑制される。

また、センサチップに隣接する中間部材は、支持リード上の接着剤よりもヤング率が大きい材料によって構成されている。したがって、中間部材を有さず、上記接着剤によってセンサチップが支持リードに固定される構成に比べて、封止部材のモールド成形時におけるセンサチップに隣接する部材の変形が抑制される。これにより、センサチップの変形、ひいては薄肉部への応力の集中が抑制される。すなわち、薄肉部の受けるダメージが抑制される。

また、請求項２に記載の発明は、空洞部を有する基板上に、検出部と検出部に接続された配線部が形成され、検出部を構成する抵抗体が空洞部上の薄肉部に形成されたセンサチップと、リードフレームの一部であり、一面上に、センサチップが空洞部の開口された下面を対向面として配置された支持リード、及び、配線部と電気的に接続された外部接続リードと、支持リードの一面とセンサチップの下面との間に配置され、樹脂成分を含む接着剤を介して支持リードの一面に固定されつつセンサチップの下面とも固定された中間部材と、絶縁材料からなり、検出部及び薄肉部を露出させつつ、配線部と外部接続リードとの接続部位を被覆するように一体的に配置された封止部材と、を備えたセンサ装置であって、中間部材は、その線膨張係数が基板とほぼ等しい材料からなり、センサチップと中間部材との間に配置される接着剤は、そのヤング率が中間部材と支持リードとの間に配置される接着剤のヤング率よりも大きいことを特徴とする。

このように本発明においても、センサチップが中間部材に接着固定されており、中間部材が支持リードに接着固定されている。すなわち、センサチップが中間部材を介して支持リードに固定されている。これにより、センサチップの位置ずれが抑制され、またセンサチップと外部接続リードとの電気的な接続状態が確保される。

また、中間部材の線膨張係数が、センサチップを構成する基板の線膨張係数とほぼ等しくなっている。これにより、センサチップを構成する基板と該基板に隣接する部材との線膨張係数差に基づいて生じる応力が低減され、ひいてはピエゾ抵抗効果によるセンサ特性の変動が抑制される。

また、センサチップと中間部材との間に配置される接着剤として、中間部材と支持リードとの間に配置される接着剤よりも、硬化後のヤング率が大きい材料を採用している。したがって、中間部材を有さず、中間部材と支持リードとの間に配置される接着剤によってセンサチップが支持リードに固定される構成に比べて、封止部材のモールド成形時におけるセンサチップに隣接する接着剤の変形が抑制される。これにより、センサチップの変形、ひいては薄肉部への応力の集中が抑制される。すなわち、薄肉部の受けるダメージが抑制される。

請求項１又は請求項２に記載の発明においては、請求項３に記載のように、基板として半導体基板を採用すると良い。これによれば、公知の半導体技術（エッチング）によって、基板に空洞部を形成するとともに、空洞部上の薄肉部に検出部を構成することができる。

請求項３に記載の発明においては、請求項４に記載のように、基板及び中間部材として、ともにシリコンを含む半導体基板を採用しても良い。このような構成とすると、線膨張係数差がより低減される。

なお、シリコンを含む半導体基板としては、単結晶シリコンのバルク基板だけでなく、所謂ＳＯＩ基板や炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板を採用することができる。

また、請求項５に記載のように、基板としてシリコンを含む半導体基板を採用し、中間部材として、ガラス基板を採用しても良い。ガラスは酸化シリコンを主成分とするので、このような構成としても、線膨張係数差がより低減される。

請求項１〜５いずれか１項に記載の発明においては、請求項６に記載のように、中間部材におけるセンサチップとの固定面に、センサチップの下面全面が対向して固定された構成とすることが好ましい。センサチップの下面の一部が中間部材と対向されない配置構造とすると、モールド成形時に中間部材の端部が支点となってセンサチップが変形し、薄肉部に応力が作用して、センサ特性の変動や薄肉部がダメージを受けることが考えられる。これに対し、請求項６に記載の構成とすることで、このような不具合を回避することができる。

請求項１〜６いずれか１項に記載の発明においては、請求項７に記載のように、中間部材の厚さが、センサチップの厚さよりも厚くされた構成とすると良い。これによれば、モールド成形時における中間部材の変形が効果的に抑制され、ひいては薄肉部への応力の集中が抑制される。すなわち、薄肉部の受けるダメージが抑制される。

請求項１〜７いずれかに記載の発明においては、請求項８に記載のように、空洞部を外部雰囲気と連通させる連通用の溝又は貫通孔が、中間部材に形成された構成としても良い。空洞部が閉じた構造であると、使用環境などの温度変化によって、空洞部内の流体と外部雰囲気とに気圧差が生じ、センサチップを構成する基板に応力が生じる。すなわち、センサ特性が変動したり、薄肉部がダメージを受けることとなる。これに対し、請求項７に記載の構成とすることで、気圧差を解消し、このような不具合を回避することができる。

請求項１〜８いずれかに記載の発明は、請求項９に記載のように、配線部と外部接続リードとがワイヤを介して電気的に接続された構成に特に効果的である。センサチップが中間部材に固定（中間部材を介して支持リードに固定）されているので、超音波を用いたワイヤボンディングによって、良好な接合状態が確保される。

請求項１〜９いずれかに記載の発明においては、請求項１０に記載のように、検出部の入出力を制御する回路が形成された回路チップをさらに備え、センサチップが、回路チップを介して外部接続リードと電気的に接続されており、封止部材により、センサチップと回路チップとの接続部、及び、回路チップと外部接続リードとの接続部が被覆された構成としても良い。このように、回路チップを含む構成に対しても、回路チップを含まない構成と同様の効果を期待することができる。なお、ワイヤボンディングされる場合、センサチップと外部接続リードとは、ワイヤと回路チップを介して電気的に接続されることとなる。

請求項１〜１０いずれかに記載の発明においては、請求項１１に記載のように、検出部として薄肉部上に形成されたヒータを含む流量検出部を備えた流量検出チップをセンサチップとした構成に特に効果的である。

流量検出チップにおける薄肉部の厚さは、ヒータの応答性を高めるために薄いほど良く、一般的に数μｍ程度となっている。したがって、モールド成形時に薄肉部がダメージを受け易く、また、ピエゾ抵抗効果によってセンサ特性が変動しやすい。これに対し、上述した構成を適用すると、流量検出チップと外部接続リードとの電気的な接続状態が確保され、薄肉部の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制された流量センサ装置とすることができる。

請求項１１に記載の発明においては、請求項１２に記載のように、封止部材により、検出部に対して流体の流路が形成された構成としても良い。このように、流量センサ装置においては、封止部材によって流路を構成することが可能であり、これにより、検出部（流量検出部）に流体（例えば空気）が供給され易く、換言すれば、検出部が流量を検出し易くすることができる。

請求項１２に記載の発明においては、請求項１３に記載のように、封止部材による流路は、流体の流れ方向における端部の断面よりも、検出部に対応する部分の断面のほうが小さくされた構成とすると良い。これにより、端部よりも検出部付近で流速を高めることができるので、少ない流量であっても検出を可能とする、すなわち流量検出感度を高めることができる。また、通常時と逆方向に流れる流体も高感度に検出することができる。

請求項１３に記載の発明においては、請求項１４に記載のように、流路は、流体の流れ方向において、検出部から離反するほど断面が大きくされた構成としても良い。これによれば、流体の流れをスムースとし、検出感度を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。尚、以下の実施形態においては、センサ装置として熱式流量センサを例にとり説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す上面視平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図１に示す白抜き矢印は、流体の流れ方向（通常時）を示している。本実施形態に示す熱式流量センサは、例えば車両内燃機関の吸気管内に配置される。

図１及び図２に示す熱式流量センサ１００は、要部として、一部が被測定流体である空気に露出されてその流量を検出する流量検出チップ１０と、リードフレームの一部として構成され、流量検出チップ１０を支持する支持リード３１と、リードフレームの一部として構成され、流量検出チップ１０と外部とを電気的に接続する外部接続リード３２と、流量検出チップ１０と支持リード３１との間に配置され、両者と固定された中間部材５０と、
流量検出チップ１０と外部接続リード３２との接続部位を被覆する封止部材７０とを備えている。なお、図１及び図２に示す符号８０は、流量検出チップ１０と外部接続リード３２を電気的に接続するワイヤを示している。

流量検出チップ１０は、シリコンからなる半導体基板１１に、エッチングにより空洞部１２を形成することにより、空洞部１２上に形成された薄い絶縁層から構成される薄肉部（メンブレン）１３と、薄肉部１３に形成されたヒータ１４とを有している。このように、基板として半導体基板１１を用いると、薄肉部１３の裏面側からエッチングすることで、簡単に薄肉部１３を形成することができ、後述するように、ヒータ１４を高感度の流量検出部として機能させることができる。

ここで、流量検出チップ１０について図３及び図４を用いてより詳細に説明する。図３は、流量検出チップの概略構成を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。なお、図３においては、便宜上、ヒータ、感温体、及び繋ぎ配線上の層間絶縁膜や保護膜を省略して図示している。また、図３に示す白抜き矢印は、流体の流れ方向（通常時）を示している。

図３及び図４に示すように、流量検出部を構成する一対のヒータ１４（１４ａ，１４ｂ）に対応して空洞部１２が形成されている。この空洞部１２は、半導体基板１１の絶縁層１５との接触面の裏面（以下、半導体基板１１の下面と示す）側に、矩形状の開口部１６（図３において二点鎖線で示す）をもって形成され、この開口面積が半導体基板１１の上面側（絶縁層１５との接触面側）へ行くほど縮小されて、半導体基板１１の上面では、開口部１６よりも小さく、半導体基板１１の厚さ方向に対して垂直な方向において開口部１６に含まれる矩形状の底面部１７（図３において破線で示す）となっている。

本実施形態においては、絶縁層１５としてシリコン酸化膜を採用しており、絶縁層１５の一部が、上述した空洞部１２の底面部１７を構成している。このように、流量検出チップ１０において、底面部１７に相当する部位は、薄肉部１３（メンブレン）となっている。そして、ヒータ１４ａ，１４ｂが、この薄肉部１３に形成されている。薄肉部１３は、流量検出部を構成する他の箇所と比べてその膜厚が薄く形成されている（例えば数μｍ程度）ため熱容量が低く抑えられ、他の箇所との熱的な絶縁が確保されている。

底面部１７（薄肉部１３）を構成する絶縁層１５上には、ヒータ１４ａ，１４ｂが形成されている。ヒータ１４ａは、流体の流れ方向に対して上流側に配置された上流側ヒータであり、ヒータ１４ｂは、流体の流れ方向に対して下流側に配置された下流側ヒータである。また、一対のヒータ１４ａ，１４ｂを挟むようにして、測温抵抗体からなる一対の感温体１８ａ，１８ｂが、薄肉部１３よりも厚い薄肉部周辺領域であって流体の上流側と下流側にそれぞれ形成されている。この感温体１８ａ，１８ｂは、ヒータ１４ａ，１４ｂととも流量検出部を構成している。そして、これらヒータ１４ａ，１４ｂや感温体１８ａ，１８ｂは、繋ぎ配線１９を介して、ワイヤ８０が接続されるパッド２０と接続されている。この繋ぎ配線１９が特許請求の範囲に記載の配線部に相当する。

そして、これらヒータ１４ａ，１４ｂ、感温体１８ａ，１８ｂ、及び繋ぎ配線１９を覆うようにして、例えばシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜２１が積層され、層間絶縁膜２１上に例えばシリコン窒化膜からなる保護膜２２が積層されている。

このように構成される流量検出チップ１０においては、ヒータ１４ａ，１４ｂが、電流の供給量によって発熱する機能に加えて、それ自身の抵抗値の変化に基づいて、自身の温度を感知する機能も有している。そして、上流側と下流側の各ヒータ１４ａ，１４ｂで生じる熱のうち、流体によって奪われる熱に基づき、流体の流量が検出される。また、上流側のヒータ１４ａと下流側のヒータ１４ｂとのそれぞれに生じる熱のうち、流体によって奪われる熱量の差に基づき、流体の流通方向が検出される。さらに、上流側のヒータ１４ａと上流側の感温体１８ａとの温度差、及び、下流側のヒータ１４ｂと下流側の感温体１８ｂとの温度差に基づき、ヒータ１４ａ，１４ｂに供給される電流量が制御される。なお、このような流量検出チップ１０の詳細については、本出願人による例えば特開２００４−２０５４９８号公報，特開２００４−２４１３９８号公報などを参照されたい。

支持リード３１は、流量検出チップ１０を支持するものであり、外部接続リード３２とともに、金属材料からなるリードフレームの一部として構成されている。すなわち、支持リード３１は、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１とは異なる材料であって線膨張係数の差が大きい材料（例えば４２アロイやＣｕなど、半導体基板１１との線膨張係数差が５以上の材料）を用いて構成されている。このように、支持リード３１をリードフレームの一部として構成すると、熱式流量センサ１００の構成を簡素化することができる。本実施形態において、支持リード３１は、図１及び図２に示すように平面矩形状であり、その大きさが流量検出チップ１０よりも大きく、流量検出チップ１０は、その下面（流量検出部形成面の裏面であって空洞部１２の開口部１６を取り囲む平面）が支持リード３１と完全に対向して配置されている。

外部接続リード３２は、流量検出チップ１０と外部とを電気的に接続するものであり、支持リード３１とともに、金属材料からなるリードフレームの一部として構成されている。そして、本実施形態においては、例えばＡｕからなるワイヤ８０が、超音波を用いた接合方法で外部接続リード３２と流量検出チップ１０のパッド２０にそれぞれ接続されて、外部接続リード３２と流量検出チップ１０が電気的に接続されている。

中間部材５０は、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１の線膨張係数とほぼ等しい線膨張係数を有する材料であって、後述する接着剤８１よりもヤング率の大きい材料（接着剤８１よりも硬い材料）を用いて構成されている。そして、流量検出チップ１０と支持リード３１との間に配置され、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１の下面及び支持リード３１の流量検出チップ配置面とそれぞれ固定されている。

本実施形態においては、中間部材５０としてシリコン酸化物を主成分とするガラス基板を採用しており、平面矩形状の中間部材５０は、その大きさが流量検出チップ１０とほぼ等しく、その厚さが流量検出チップ１０の厚さよりも厚くなっている。そして、中間部材５０は、陽極接合によって半導体基板１１に固定され、接着剤８１を介して支持リード３１に固定されている。なお、接着剤８１は所謂ダイボンド材であり、その構成材料は、支持リード３１に中間部材５０を接着固定できるものであれば特に限定されるものではない。有機系成分のみでも良いし、有機系成分に無機系成分や金属成分を混入させたもの（例えばＡｇペースト）を用いても良い。本実施形態においては、接着剤８１として、硬化後のヤング率が１ＧＰａ以上である一般的なエポキシ系樹脂を採用している。

このように、中間部材５０によって流量検出チップ１０の空洞部１２は塞がれており、空洞部１２が被測定流体である空気に直接晒されることがない。したがって、空洞部１２の下部に部材が配置されない構成と比べて、乱流によるノイズを低減することができる。

封止部材７０は、エポキシ樹脂等の一体成形（モールド成形）可能である電気絶縁材料を用いて構成されている。そして、支持リード３１に中間部材５０が接着固定され、中間部材５０における支持リード３１との接着面の裏面に流量検出チップ１０が陽極接合によって固定され、流量検出チップ１０のパッド２０と外部接続リード３２とがワイヤ８０を介して接続された状態で、ワイヤ８０、ワイヤ８０と流量検出チップ１０（パッド２０）の接続部位、及びワイヤ８０と外部接続リード３２との接続部位を、一体的に被覆するものである。なお、流量検出チップ１０の流量検出部及び薄肉部１３は、封止部材７０によっては被覆されておらず、流体の流量を検出可能となっている。

また、本実施形態においては、封止部材７０が、上述の各接続部位を被覆するパッド側端部７１だけでなく、パッド側端部７１と連なって、流量検出チップ１０の、パッド２０の形成された端部側の端面を除く残りの３つの端面（半導体基板１１の側面）及び該端面に対応する中間部材５０の端面を取り囲むように配置された周囲部７２を有している。この周囲部７２は、その上面７２ａが流量検出チップ１０の上面と略面一となっており、流量検出チップ１０の端面及び中間部材５０の端面に接して配置されている。すなわち、流体の流れ方向において、流量検出部から封止部材７０の周囲部７２の端部までが面一となっており、これにより、流量検出部上において流体がより整流された状態となる。言うなれば、流量検出チップ１０上に配置されたパッド側端部７１における流量検出部側の端面７１ａと周囲部７２の上面７２ａ（及び流量検出チップ１０の上面）とにより、流量検出部に対して流路が形成されている。

次に、このように構成される熱式流量センサ１００の製造方法について、図５（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図５は、熱式流量センサ１００の製造方法を示す工程別断面図であり、（ａ）は積層工程、（ｂ）はワイヤボンディング工程、（ｃ）はモールド成形工程を示す図である。図５（ａ）〜（ｃ）は、図２に対応している。

先ず流量検出チップ１０、支持リード３１と外部接続リード３２を有するリードフレーム３０、及び中間部材５０をそれぞれ準備する。そして、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１と中間部材５０とを陽極接合によって一体化する。これにより、空洞部１２が中間部材５０によって塞がれた構造となる。そして、流量検出チップ１０と一体化された中間部材５０を、流量検出チップ１０との固定面の裏面を接着面として、リードフレーム３０の一部である支持リード３１に接着固定する。この接着固定においては、支持リード３１側に接着剤８１を塗布しても良いし、中間部材５０側に接着剤８１を塗布しても良い。これにより、図５（ａ）に示すように、リードフレーム３０における支持リード３１上に、中間部材５０を介して流量検出チップ１０が固定された積層構造となる。

次に、図５（ｂ）に示すように、流量検出チップ１０のパッド２０（図１，図３参照）と外部接続リード３２とを、ワイヤボンディングによって電気的に接続する。本実施形態においては、Ａｕからなるワイヤ８０を、超音波を用いた接合方法を用いて、外部接続リード３２と流量検出チップ１０のパッド２０にそれぞれ接続する。ここで、超音波を用いて接合する場合、流量検出チップ１０が固定されていないと、流量検出チップ１０がフリーであるため、超音波振動が逃げて良好な接合状態を形成することができない。しかしながら、本実施形態においては、流量検出チップ１０を中間部材５０、ひいては支持リード３１に固定しているので、良好な接合状態を形成することができる。これにより、図５（ｂ）に示すように、流量検出チップ１０（パッド２０）と外部接続リード３２とが、ワイヤ８０を介して電気的に接続された構造となる。

ワイヤボンディング後、図５（ｃ）に示すように、薄肉部１３を含む流量検出部が露出され、ワイヤ８０、ワイヤ８０と流量検出チップ１０（パッド２０）の接続部位、及びワイヤ８０と外部接続リード３２との接続部位が一体的に被覆されるように構成された型８２，８３に、図５（ｂ）に示した構造体を配置する。そして、型８２，８３を閉じた状態で構成されるキャビティ内にモールド材を注入し、封止部材７０を一体成形する。本実施形態においては、支持リード３１と外部接続リード３２がリードフレーム３０の一部として構成されているので、流量検出チップ１０を含めて、お互いの位置精度を向上することができる。また、ワイヤボンディング工程及びモールド成形工程を簡素化することができる。

なお、本実施形態においては、型締めによる応力によって、薄肉部１３がダメージを受けるのを抑制するために、薄肉部１３に対向する型８２のうち、薄肉部１３に対向する部分に凹部８２ａが形成されている。

モールド成形後、封止部材７０のキュアを経て、リードフレーム３０の不要部分を除去する。これにより、支持リード３１と外部接続リード３２とが、電気的に分離された状態となる。そして、図１及び図２に示す熱式流量センサ１００が形成される。

次に、このように構成される熱式流量センサ１００の効果について説明する。

支持リード３１上に流量検出チップ１０が配置される構成の場合、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１と支持リード３１とは線膨張係数が異なるため、使用環境などでの温度変化により、線膨張係数差に基づく応力が生じることとなる。このような応力が、剛性の低い薄肉部１３に作用すると、ピエゾ抵抗効果により抵抗値変化が生じ、狙い値に対してセンサ特性が変動することとなる。また、応力がクリープによって徐々に緩和されると、抵抗値が変化してセンサ特性が変動することとなる。

これに対し、本実施形態においては、流量検出チップ１０が、流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１と線膨張係数のほぼ等しい材料からなる中間部材５０を介して、支持リード３１に固定されている。このように、半導体基板１１と該半導体基板１１が固定される中間部材５０の線膨張係数がほぼ等しいと、使用環境での温度変化などにより、線膨張係数差に基づいて生じる応力自体を低減乃至無くすことができる。これにより、センサ特性の変動が抑制される。

また、支持リード３１上に流量検出チップ１０が配置される構成において、流量検出チップ１０を支持リード３１に固定するための接着剤として、軟らかい接着剤（硬化後において加圧により変形するもの、例えばヤング率が１ＭＰａ程度）を用いる場合、モールド成形時に、型締めした際の圧力で薄肉部１３がダメージを受け、場合によっては破損することとなる。これは、モールド成形時に、流量検出チップ１０と支持リード３１との間で硬化後の接着剤が押し広げられ、接着剤の変形とともに接着剤に隣接する流量検出チップ１０が引っ張られて半導体基板１１に応力が生じ、この応力が薄肉部１３に集中することによって生じるものと考えられる。

これに対し、本実施形態においては、流量検出チップ１０と中間部材５０としてのガラス基板が、陽極接合によって固定されている。すなわち、流量検出チップ１０に対し、接着剤を介さずに、接着剤８１よりもヤング率の大きい中間部材５０が直接的に接して配置されている。モールド成形時において、流量検出チップ１０に隣接する中間部材５０はほとんど変形しないため、これにより、流量検出チップ１０の変形が抑制されて薄肉部１３への応力の集中が抑制される。

また、流量検出チップ１０が中間部材５０、ひいては支持リード３１に固定されている。したがって、本実施形態に係る熱式流量センサ１００は、流量検出チップ１０と外部接続リード３２との電気的な接続状態が確保され、薄肉部１３の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制されたセンサ装置となっている。

このように、本実施形態に係る熱式流量センサ１００は、流量検出チップ１０と外部接続リード３２との電気的な接続状態が確保され、薄肉部１３の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制されたセンサ装置となっている。

なお、本実施形態においては、中間部材５０が平面矩形状とされ、その大きさが流量検出チップ１０とほぼ等しい例を示したが、形状や大きさは上記例に限定されるものではない。ただし、流量検出チップ１０の固定面に対し、流量検出チップ１０の下面の一部が対向しない構造であると、モールド成形時の型圧力で、中間部材５０の端部を支点として、流量検出チップ１０に応力が生じることとなる。したがって、好ましくは、上記例に示したように、流量検出チップ１０の固定面に対し、流量検出チップ１０の下面全面が対向するような形状及び大きさとすると良い。

また、本実施形態においては、シリコンからなる半導体基板１１とガラスからなる中間部材５０を陽極接合することにより、流量検出チップ１０の下面に中間部材５０が直接的に接して固定される例を示した。しかしながら、半導体基板１１（基板）と中間部材５０の構成材料としては、互いに陽極接合によって固定可能な組合せであれば採用することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図６及び図７に基づいて説明する。図６は、第２実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す平面図である。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。

第２実施形態に係る熱式流量センサは、第１実施形態に示した熱式流量センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、第１実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第２実施形態においては、図６及び図７に示すように、封止部材７０のパッド側端部７１が、流量検出部を被覆しない範囲で流量検出チップ１０の上面における流量検出部の近傍まで延設されている。また、封止部材７０が、パッド側端部７１以外にも、流量検出部を間に挟んでパッド側端部７１と対向配置された流量検出部側端部７３と、パッド側端部７１と流量検出部側端部７３とを連結し、流体の流れ方向において流量検出部を間に挟んで配置された流通側端部７４とを有している。

流量検出部側端部７３は、支持リード３１の外部接続リード３２と反対側の端部を被覆しつつ、流量検出チップ１０のパッド２０が形成された端部とは反対側の端部の端面及び該端面に対応する中間部材５０の端面に接している。また、その上面が流量検出チップ１０の上面よりも高い位置となっている。本実施形態においては、図７に示すように、支持リード３１に対して、パッド側端部７１の上面とほぼ同じ高さとなっている。

流通側端部７４は、第１実施形態に示した周囲部７２と同様の構成となっており、流量検出チップ１０のパッド２０が形成された端部の端面に隣接する端面及び該端面に対応する中間部材５０の端面に接している。すなわち、流体の流れ方向において流量検出部を間に挟んで配置されている。また、その上面７４ａが流量検出チップ１０の上面と面一となっている。

そして、流通側端部７４の上面７４ａ（及び流量検出チップ１０の上面）を底面、パッド側端部７１の流量検出チップ１０の上面における流量検出部側の端面７１ａ及び流量検出部側端部７３の上面７４ａ上における流量検出部側の端面７３ａとを側面として、流体の流路が構成されている。この流体の流路は、図６に示すように、流体の流れ方向（白抜き矢印は通常時の流れ方向）における端部の断面よりも、流量検出部に対応する部分の断面のほうが小さくなっている。このような構成とすると、流路の間口が広いので、端部よりも流量検出部付近で流速を高めることができる。すなわち、少ない流量であっても検出を可能とし、流量検出感度を高めることができる。なお、流量検出部に対し、両側とも同様の構成となっている。したがって、通常時と逆方向に流れる流体も高感度に検出することができる。

さらに、本実施形態においては、流路が、流体の流れ方向において、流量検出部から離反するほど断面が大きくされた構成となっている。したがって、流体の流れをスムースとし、検出感度を高めることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図８に基づいて説明する。図８は、第３実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す断面図である。図８は、図２に対応している。

第３実施形態に係る熱式流量センサは、上述した実施形態に示した熱式流量センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上述した実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

第３実施形態においては、図８に示すように、中間部材５０に、空洞部１２を外部雰囲気と連通させるための貫通孔５１が形成されている。本実施形態においては、中間部材５０と流量検出チップ１０の積層方向に沿って貫通孔５１が形成されており、支持リード３１にも、貫通孔５１に対応して貫通孔３１ａが形成されている。そして、貫通孔３１ａ、５１を介して、空洞部１２が外部雰囲気と連通されている。

このように本実施形態に係る熱式流量センサ１００は、空洞部１２が外部雰囲気と連通されている。したがって、使用環境などの温度変化が生じても、空洞部１２内の流体と外部雰囲気とに気圧差が生じることがない。すなわち、気圧差によって半導体基板１１に作用する応力を抑制することができる。

なお、本実施形態においては、貫通孔５１，３１ａ以外の構成が、第１実施形態に示した構成と同じ例を示した。しかしながら、第２実施形態に示した構成に対しても適用することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を、図９に基づいて説明する。図９は、第４実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す断面図である。

第４実施形態に係る熱式流量センサは、上述した実施形態に示した熱式流量センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。なお、上述した実施形態に示した要素と同一の要素には、同一の符号を付与するものとする。

上述した実施形態においては、流量検出チップ１０と中間部材５０とが陽極接合によって固定される例を示した。これに対し、第４実施形態においては、図９に示すように、流量検出チップ１０と中間部材５０とが、接着剤８５を介して固定される点を特徴とする。

このような構成においては、中間部材５０として、その線膨張係数が流量検出チップ１０を構成する半導体基板１１とほぼ等しい材料を採用すれば良い。本実施形態においては、半導体基板１１同様、シリコンからなる半導体基板を採用している。これにより、中間部材５０と半導体基板１１の線膨張係数差に基づいて生じる応力が低減され、ひいてはピエゾ抵抗効果によるセンサ特性の変動が抑制される。

また、接着剤８５としては、少なくとも硬化後のヤング率が、中間部材５０と支持リード３１との間に配置される接着剤８１のヤング率よりも大きい材料を採用すれば良い。換言すれば、硬化後において圧力を受けてもほとんど変形しない材料を採用すれば良い。本実施形態においては、接着剤８５として硬化後のヤング率が１ＧＰａ程度のエポキシ系接着剤を採用しており、接着剤８１として、接着剤８５よりも硬化後のヤング率が小さい接着材料（例えば、硬化後において加圧により変形する材料）を採用している。これにより、中間部材５０を有さず、中間部材５０と支持リード３１との間に配置される接着剤８１によって流量検出チップ１０が支持リード３１に固定される構成に比べて、モールド成形時における流量検出チップ１０に隣接する接着剤８５の変形が抑制される。すなわち、流量検出チップ１０の変形、ひいては薄肉部１３への応力の集中が抑制され、薄肉部１３の受けるダメージが抑制される。

このような構成とすると、第１実施形態に示した構成と同様の効果を期待することができる。すなわち、本実施形態に係る熱式流量センサ１００も、流量検出チップ１０と外部接続リード３２との電気的な接続状態が確保され、薄肉部１３の受けるダメージやセンサ特性の変動が抑制されたセンサ装置となっている。

なお、本実施形態においては、中間部材５０としてシリコンからなる半導体基板を採用し、シリコンからなる半導体基板１１と中間部材５０が接着固定される例を示した。しかしながら、半導体基板１１（基板）と中間部材５０の構成材料としては、互いに接着固定可能な組合せであれば採用することができる。

また、本実施形態においては、接着剤８５以外の構成が、第１実施形態に示した構成と同じ例を示した。しかしながら、第２実施形態に示した構成や第３実施形態に示した構成に対しても適用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した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。

本実施形態においては、流量検出チップ１０を構成する基板が、シリコンからなる半導体基板１１である例を示した。このように半導体基板１１を用いると、一般的な半導体製造技術により、半導体基板に容易に空洞部１２及び薄肉部１３を形成することができる。すなわち、熱式流量センサ１００を低コストで製造することができる。しかしながら、半導体基板はシリコン基板に限定されるものではない。また、基板も半導体基板に限定されず、支持リード３１との線膨張係数に差のある部材（例えばガラス）を採用することができる。

本実施形態においては、センサ装置の一例として熱式流量センサ１００を取り上げた。これは、薄肉部１３の厚さが数μｍ程度と非常に薄く、モールド成形時に薄肉部１３がダメージを受け易く、また、ピエゾ抵抗効果によってセンサ特性が変動しやすいからである。しかしながら、センサ装置としては熱式流量センサ１００に限定されるものではない。例えば熱式流量センサ１００以外にも、基板の空洞部上に薄肉部が形成され、この薄肉部に検出部の抵抗体が配置された構造のセンサ（例えばサーモパイル式の赤外線センサ、湿度センサ、圧力センサ等）であれば適用することができる。

本実施形態においては、流量検出チップ１０を中間部材５０に固定する例を示した。しかしながら、ウェハの状態で中間部材５０を固定しても良い。

本実施形態においては、支持リード３１が、流量検出チップ１０の下面全面（中間部材５０の支持リード３１との接着面全面）と対向するように構成される例を示した。しかしながら、例えば図１０に示すように、支持リード３１が、流量検出チップ１０の下面の一部（中間部材５０の支持リード３１との接着面の一部）と対向するように構成されても良い。図１０に示すように、支持リード３１が封止部材７０によって完全に被覆された構成とすることもできる。この場合、支持リード３１の耐腐食性を向上することができる。図１０は、その他変形例を示す断面図である。

本実施形態においては、封止部材７０が、パッド側端部７１以外にも、周囲部７２、流量検出部側端部７３及び流通側端部７４などを有する例を示した。しかしながら、例えば図１１に示すように、封止部材７０がパッド側端部７１のみを有する構成としても良い。図１１は、その他変形例を示す断面図である。

本実施形態においては、中間部材５０に形成された貫通孔５１（及び支持リード３１に形成された貫通孔３１ａ）によって、空洞部１２が外部雰囲気と連通される例を示した。しかしながら、中間部材５０に溝を設けることによっても、空洞部１２が外部雰囲気と連通された構成とすることが可能である。例えば図１２及び図１３においては、中間部材５０が流量検出チップ１０よりも大きく、中間部材５０における流量検出チップ１０との対向面に、空洞部１２と連なる溝５２が形成されている。また、溝５２は、流量検出チップ１０の下面と対向されない端部まで延設されており、流量検出チップ１０から露出される溝５２の端部５２ａは、封止部材７０からも露出されて外部雰囲気と連通されている。このような構成とすると、中間部材５０に形成された溝５２のみによって、空洞部１２を外部雰囲気と連通させることができる。図１２は、その他変形例を示す平面図であり、図１３は、図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに沿う断面図である。

本実施形態においては、流量検出チップ１０のパッド２０と外部接続リード３２が、ワイヤ８０を介して電気的に接続される例を示した。しかしながら、流量検出チップ１０と外部接続リード３２との接続はワイヤボンディングに限定されるものではない。例えば、支持リード３１及び外部接続リード３２（リードフレーム３０）としてプリント基板を採用する場合には、バンプ等によって接続された構成としても良い。

本実施形態においては、流量検出チップ１０と外部接続リード３２が、ワイヤ８０を介して直接的に接続される例を示した。しかしながら、流量検出部の入出力を制御する回路が形成された回路チップを介して、流量検出チップ１０と外部接続リード３２が電気的に接続された構成としても良い。この場合、流量検出チップと回路チップとの接続部、及び、回路チップと外部接続リードとの接続部が、封止部材７０によって被覆された構造となる。このように、回路チップを含む構成に対しても、回路チップを含まない構成同様乃至それに準ずる効果を期待することができる。

第１実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す上面視平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 流量検出チップの概略構成を示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 熱式流量センサの製造方法を示す工程別断面図であり、（ａ）は積層工程、（ｂ）はワイヤボンディング工程、（ｃ）はモールド成形工程を示す図である。 第２実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面図である。 第３実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す断面図である。 第４実施形態に係る熱式流量センサの概略構成を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す断面図である。 その他変形例を示す平面図である。 図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う断面図である。

符号の説明

１０・・・流量検出チップ（センサチップ）
１１・・・半導体基板（基板）
１２・・・空洞部
１３・・・薄肉部
１４，１４ａ，１４ｂ・・・ヒータ
３１・・・支持リード
３２・・・外部接続リード
５０・・・中間部材
７０・・・封止部材
８５・・・接着剤

Claims (14)

1. 空洞部を有する基板上に、検出部と前記検出部に接続された配線部が形成され、前記検出部を構成する抵抗体が前記空洞部上の薄肉部に形成されたセンサチップと、
   リードフレームの一部であり、一面上に、前記センサチップが前記空洞部の開口された下面を対向面として配置された支持リード、及び、前記配線部と電気的に接続された外部接続リードと、
   前記支持リードの一面と前記センサチップの下面との間に配置され、樹脂成分を含む接着剤を介して前記支持リードの一面に固定されつつ、前記センサチップの下面に接して固定された中間部材と、
   絶縁材料からなり、前記検出部及び前記薄肉部を露出させつつ、前記配線部と前記外部接続リードとの接続部位を被覆するように一体的に配置された封止部材と、を備えたセンサ装置であって、
   前記中間部材は、その線膨張係数が前記基板とほぼ等しく、前記接着剤よりもヤング率の大きい材料からなることを特徴とするセンサ装置。
2. 空洞部を有する基板上に、検出部と前記検出部に接続された配線部が形成され、前記検出部を構成する抵抗体が前記空洞部上の薄肉部に形成されたセンサチップと、
   リードフレームの一部であり、一面上に、前記センサチップが前記空洞部の開口された下面を対向面として配置された支持リード、及び、前記配線部と電気的に接続された外部接続リードと、
   前記支持リードの一面と前記センサチップの下面との間に配置され、樹脂成分を含む接着剤を介して、前記支持リードの一面及び前記センサチップの下面と固定された中間部材と、
   絶縁材料からなり、前記検出部及び前記薄肉部を露出させつつ、前記配線部と前記外部接続リードとの接続部位を被覆するように一体的に配置された封止部材と、を備えたセンサ装置であって、
   前記中間部材は、その線膨張係数が前記基板とほぼ等しい材料からなり、
   前記センサチップと前記中間部材との間に配置される接着剤は、そのヤング率が前記中間部材と前記支持リードとの間に配置される接着剤のヤング率よりも大きいことを特徴とするセンサ装置。
3. 前記基板は、半導体基板であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記基板と前記中間部材は、ともにシリコンを含む半導体基板であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
5. 前記基板は、シリコンを含む半導体基板であり、
   前記中間部材は、ガラス基板であることを特徴とする請求項３に記載のセンサ装置。
6. 前記中間部材における前記センサチップとの固定面に、前記センサチップの下面全面が対向して固定されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記中間部材の厚さが、前記センサチップの厚さよりも厚くされていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記中間部材には、前記空洞部を外部雰囲気と連通させる連通用の溝又は貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載のセンサ装置。
9. 前記配線部と前記外部接続リードとは、ワイヤを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載のセンサ装置。
10. 前記検出部の入出力を制御する回路が形成された回路チップをさらに備え、
    前記センサチップは、前記回路チップを介して前記外部接続リードと電気的に接続されており、
    前記封止部材により、前記センサチップと前記回路チップの接続部、及び、前記回路チップと前記外部接続リードの接続部が被覆されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載のセンサ装置。
11. 前記センサチップは、前記検出部として、前記薄肉部上に形成されたヒータを含む流量検出部を備えた流量検出チップであることを特徴とする請求項１〜１０いずれか１項に記載のセンサ装置。
12. 前記封止部材により、前記検出部に対して流体の流路が形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のセンサ装置。
13. 前記流路は、前記流体の流れ方向における端部の断面よりも、前記検出部に対応する部分の断面のほうが小さくなっていることを特徴とする請求項１２に記載のセンサ装置。
14. 前記流路は、前記流体の流れ方向において、前記検出部に対応する部分から離反するほど断面が大きくなっていることを特徴とする請求項１３に記載のセンサ装置。

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