JP2010096614A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサチップと制御チップとをケースに取り付けてなるセンサ装置において、制御チップで発生した熱がセンサチップへ伝わりにくくするとともに、温度変化によりセンサチップに加わる応力を低減する。
【解決手段】ケース１０にセンサチップ２０と制御チップ３０とを設け、これらを接続部材４０で結線し、さらに封止樹脂５０で封止し、センサチップ２０における制御チップ３０寄りの部位の一面に、接続部材４０を接続し、センサチップ２０における当該制御チップ３０寄りの部位の他面を、接着剤７０を介してケース１０に直接接着することでケース１０上に固定し、制御チップ３０側からセンサチップ２０側に延びる封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部を、接着剤７０における制御チップ３０側の端部とは反対側の端部と同じ位置とし、ケース１０のうち接着剤７０の直下に位置する部位を、封止樹脂５０と同一の樹脂材料とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサチップとこれを制御する制御チップとをケースに取り付けてなるセンサ装置に関する。

従来より、この種のセンサ装置としては、ケースと、ケースに支持されて検出を行うセンサチップと、ケースに支持されてセンサチップの隣に配置され、センサチップの制御を行う制御チップと、これら両チップを結線し電気的に接続する接続部材と、ケース内に設けられ、接続部材および接続部材と両チップとの接続部位を封止する封止樹脂とを備えたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００７−１７３５２号公報

本発明者は、上記したような従来技術に基づき、センサ装置を試作し、これについて検討を行った。図５は、本発明者が試作した試作品としてのセンサ装置の概略断面構成を示す図である。

図５においては、ケース１０は樹脂などよりなり、このケース１０にはセンサチップ２０および制御チップ３０が支持されている。ここでは、ケース１０には、セラミックや金属製のリードフレームなどよりなる基板６０がインサート成形されており、両チップ２０、３０は、この基板６０上に接着剤７０を介して接着されることで、ケース１０に支持されている。

そして、センサチップ２０と制御チップ３０とは、ボンディングワイヤなどの接続部材４０により結線されて電気的に接続されている。また、ケース１０には、両チップ２０、３０を封止する封止樹脂５０が設けられ、この封止樹脂５０により接続部材４０および接続部材４０と両チップ２０、３０との接続部位が封止されている。

この試作品において、特にセンサチップ２０は温度や応力などの外部的要因により特性が変動しやすいため、部分的な接着により固定されている。つまり、センサチップ２０は、その一面に接続部材４０が接続されており、それとは反対側の他面が基板６０に対向し、当該他面の一部が接着剤７０を介して基板６０に接着されている。

ここで、センサチップ２０と制御チップ３０とは、熱伝導率が高いセラミックや金属よりなる同一の基板６０に搭載されているため、制御チップ３０で発熱した熱が、基板６０を伝ってセンサチップ２０まで容易に到達してしまい、特性変動の原因になる。

また、センサチップ２０を固定している部材については、センサチップ２０の一面上には封止樹脂５０、センサチップ２０の下すなわち他面側には、基板６０、さらにその下にはケース１０があり、センサチップ２０の上下には、線膨張係数が異なる材料が複雑に入り組んでいる。そのため、温度変化によりセンサチップ２０に応力が加わってしまい、特性変動を及ぼすという問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、センサチップとこれを制御する制御チップとをケースに取り付けてなるセンサ装置において、制御チップで発生した熱がセンサチップへ伝わりにくくするとともに、温度変化によりセンサチップに加わる応力を低減することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、ケース（１０）にセンサチップ（２０）と制御チップ（３０）とを設け、両チップ（２０、３０）を接続部材（４０）で結線し電気的に接続し、この接続部材（４０）および接続部材（４０）と両チップ（２０、３０）との接続部位を封止樹脂（５０）で封止してなるセンサ装置において、センサチップ（２０）における制御チップ（３０）寄りの部位の一面に、接続部材（４０）が接続されるとともに、センサチップ（２０）における当該制御チップ（３０）寄りの部位の他面が接着剤（７０）を介してケース（１０）に直接接着されることでセンサチップ（２０）はケース（１０）上に固定されており、封止樹脂（５０）は、制御チップ（３０）側からセンサチップ（２０）側に延びるとともに、当該封止樹脂（５０）におけるセンサチップ（２０）側の端部は、接着剤（７０）における制御チップ（３０）側の端部とは反対側の端部と同じ位置となっており、ケース（１０）のうち接着剤（７０）の直下に位置する部位は、封止樹脂（５０）と同一の樹脂材料よりなることを特徴とする。

それによれば、従来の基板に比べて熱伝導率が小さい樹脂よりなるケース（１０）に、センサチップ（２０）が直接接着されているので、その隣の制御チップ（３０）で発生した熱はセンサチップ（２０）へ伝わりにくく、また、センサチップ（２０）の一面側と他面側すなわちセンサチップ（２０）の上側と下側とで、同一の樹脂材料で同一の位置まで封止が行われているので、温度変化によりセンサチップ（２０）に加わる応力の差が、極力低減される。

そのため、本発明によれば、制御チップ（３０）で発生した熱がセンサチップ（２０）へ伝わりにくくするとともに、温度変化によりセンサチップ（２０）に加わる応力を低減することができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、ケース（１０）のうち接着剤（７０）の直下に位置する部位を構成する樹脂材料、および、封止樹脂（５０）を構成する樹脂材料は、ともにエポキシ樹脂であるものにできる。
また、請求項３に記載の発明のように、封止樹脂（５０）におけるセンサチップ（２０）側の端部は、当該端部よりも制御チップ（３０）側に位置する封止樹脂（５０）の部分が当該端部を越えてはみ出すのを防止するダム部（５１）として構成されているものとしてもよい。

それによれば、封止樹脂（５０）におけるセンサチップ（２０）側の端部がダム部（５１）として構成されているため、当該端部よりも制御チップ（３０）側に位置する封止樹脂（５０）の部分が、ダム部（５１）にて堰き止められ、ダム部（５１）よりも外側にはみ出さないから、封止樹脂（５０）におけるセンサチップ（２０）側の端部の位置を精度よく規定することができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した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。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るセンサ装置Ｓ１の概略断面構成を示す図である。本実施形態のセンサ装置は、圧力センサ、加速度センサ、角速度センサなどの各種のセンサに採用されるが、ここでは、熱式流量センサに適用したものとして説明する。

本実施形態のセンサ装置Ｓ１は、大きくは、ケース１０と、ケース１０に支持されて検出を行うセンサチップ２０と、ケース１０に支持されセンサチップ２０の制御を行う制御チップ３０と、これら両チップ２０、３０を結線し電気的に接続する接続部材４０と、ケース１０内に設けられ、接続部材４０および接続部材４０と両チップ２０、３０との接続部位を封止する封止樹脂５０と、を備えて構成されている。

ここで、ケース１０は、エポキシ樹脂よりなるもので、図１中の下部に底面、上方に開口した容器形状をなす。このケース１０の底面には、センサチップ２０および制御チップ３０が支持されている。

センサチップ２０は、シリコン半導体などの半導体基板に一般的な半導体プロセスにより、センシング部２１を形成したものである。ここでは、センシング部２１は、センサチップ２０における他の部位に比べて薄肉部となっており、この薄肉部に熱式流量素子が形成されたものである。薄肉部の中央で発熱した熱が大気中に伝わり、流体により薄肉部の周囲上に移動し、その熱を感知することで流量を検出するようになっている。

制御チップ３０は、センサチップ２０の隣に配置され配線部材４０を介してセンサチップ２０と電気的に接続されており、センサチップ２０に対して電気信号を入出力することで、センサチップ２０の制御および信号の取り出しなどを行うものである。

また、ケース１０の底面側には、従来と同様のセラミックの板材や金属製のリードフレームなどよりなる基板６０がインサート成形されている。そして、この基板６０には、制御チップ３０が樹脂よりなる接着剤７０を介して接着されており、それにより、制御チップ６０は、ケース１０に固定されて支持されている。この接着剤７０は、樹脂よりなるが、たとえばポッティングやシートとして配置される。

ここで、配線部材４０は、金やアルミなどのワイヤボンディングにより形成されたワイヤであるが、それ以外にもリボンなどの配線状のものであってもよい。この配線部材４０は、制御チップ３０における基板６０の接着面とは反対側の面に接続され、両チップ２０、３０の間を跨いで、センサチップ２０の一面に接続されている。

また、ケース１０には、導電金属製のリード８０がインサート成形されており、制御チップ３０は、このリード８０に対しても配線部材４０にて結線され、電気的に接続されている。リード８０は、外部と電気的に接続されるようになっており、これにより、制御チップ３０は、外部と電気的な信号のやり取りが可能となっている。

ここで、センサチップ２０と接続部材４０との接続についてみてみると、センサチップ２０は、センシング部２１とは反対側の部位を制御チップ２０側に位置させている。そして、接続部材４０は、センサチップ２０におけるセンシング部２１以外の部位、すなわちセンサチップ２０における制御チップ２０寄りの部位の一面に、接続されている。

そして、センサチップ２０における制御チップ３０寄りの部位の他面が、接着剤７０を介して、樹脂よりなるケース１０に直接接着されている。それによって、センサチップ２０はケース１０上に固定され、ケース１０に支持されている。なお、センサチップ２０を接着する接着剤７０と制御チップ３０を接着する接着剤７０とは、同一のものでもよいし、異なるものでもよい。

そして、封止樹脂５０は、ポッティングにより設けられるが、両チップ２０、３０上を、制御チップ３０側からセンサチップ２０側に延びている。それとともに、当該封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部は、センサチップ２０をケース１０に接着する接着剤７０における制御チップ３０側の端部とは反対側の端部（図１中の接着剤７０における右側の端部）と同じ位置となっている。

この封止樹脂５０とセンサチップ２０を接着している接着剤７０との配置関係について、より具体的に述べる。つまり、封止樹脂５０は、制御チップ３０上では、接続部材４０および制御チップ３０における接続部材４０との接続部位を封止しつつ、制御チップ３０から両チップ２０、３０の間を越えてセンサチップ２０の一面上にまで連続して設けられている。

そして、センサチップ２０の一面上を封止する封止樹脂５０は、接続部材４０およびセンサチップ２０における接続部材４０との接続部位を封止しつつ、センサチップ２０における制御チップ３０側の端部２０ａとこれとは反対側の端部２０ｂとの中間まで延びており、当該両端部２０ａ、２０ｂの中間に、封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部が位置する。

ここで、センサチップ２０における制御チップ３０側の端部２０ａと封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部との距離Ｌ１を、センサチップ上を封止する樹脂の長さＬ１とする。本実施形態では、この長さＬ１は、そのままセンサチップ上を封止する封止樹脂５０の長さＬ１に相当する。

一方、図１におけるセンサチップ２０の下側すなわちセンサチップ２０の他面側では、接着剤７０は、ケース１０とセンサチップ２０との間に充填されており、センサチップ２０における制御チップ３０側の端部２０ａとこれとは反対側の端部２０ｂとの間に接着剤７０が位置している。

そして、センサチップ２０における制御チップ３０側の端部２０ａと、接着剤７０における制御チップ３０側の端部とは反対側の端部との距離Ｌ２を、センサチップ下を封止する樹脂の長さＬ２とする。ここでは、長さＬ２は、センサチップ下に位置する接着剤７０の長さＬ２に相当する。このとき、本実施形態では、両樹脂の長さＬ１とＬ２とは、同じ長さとされている。

ここで、これら両長さＬ１とＬ２とが同じ長さであるとは、完全同一であること以外にも、±１０％以下の誤差を含んで同一であることを意味する。これは、封止樹脂５０および接着剤７０の形成工程における加工誤差による。

すなわち、上述のように、封止樹脂５０は樹脂のポッティングにより配置されて硬化されるものであり、接着剤７０は樹脂のポッティングによる配置・硬化、もしくは成形された樹脂のシートとして配置されるものである。このような封止樹脂５０および接着剤７０の形成工程における加工誤差により、両長さＬ１とＬ２とが完全に同一であることを狙ったとしても、一般に両長さＬ１、Ｌ２の間で±１０％以内の寸法誤差が生じる。

そのため、本実施形態では、両長さＬ１、Ｌ２の大きさの違いが±１０％以下ならば、同一とみなす。こうして、センサチップ２０の一面側と他面側すなわち図１におけるセンサチップ２０の上側では封止樹脂５０、下側では接着剤７０というように、センサチップ２０の上下において、センサチップ２０における制御チップ３０側の端部２０ａから同一の位置まで樹脂５０、７０による封止が行われている。

さらに、本実施形態では、ケース１０のうちセンサチップ２０を接着する接着剤７０の直下に位置する部位を、センサチップ２０の直上に位置する封止樹脂５０と同一の樹脂材料よりなるものとしている。

ここで、ケース１０のうち接着剤７０の直下に位置する部位とは、センサチップ２０を接着する接着剤７０をケース１０に投影した領域に位置するケース１０の部分である。そして、ケース１０のうち接着剤７０の直下に位置する部位を構成する樹脂材料と、封止樹脂５０を構成する樹脂材料とが同一であるとは、これら両者５０、７０の樹脂材料における組成や物性が同一であることを意味する。本実施形態では、ともに同一のエポキシ樹脂よりなる。

それにより、ケース１０のうちセンサチップ２０を接着する接着剤７０の直下に位置する部位と、センサチップ２０を挟んで接着剤７０の直上に位置する封止樹脂５０とは、同一の樹脂材料よりなるから、線膨張係数も互いに同一のものとなる。

なお、本実施形態では、ケース１０のうちセンサチップ２０を接着する接着剤７０の直下に位置する部位だけではなく、ケース１０全体を構成する樹脂材料と、封止樹脂５０とが同一のものとなっている。

もちろん、それ以外にも、ケース１０のうち当該接着剤７０の直下に位置する部位のみが、部分的に封止樹脂５０と同一の樹脂材料により構成され、それ以外のケース１０の部位は封止樹脂５０とは異なる樹脂材料により構成されていてもよい。たとえば、本実施形態では、ケース１０の全体を構成する樹脂材料および封止樹脂５０は、ともにエポキシ樹脂であり、その線膨脹係数は約１０ｐｐｍである。

センサ装置Ｓ１の製造方法について述べる。基板６０およびリード８０がインサート成形されたエポキシ樹脂よりなるケース１０を用意し、センサチップ２０は、このケース１０の樹脂部分に対して直接に接着剤７０を介して接着し、制御チップ３０は、このケース１０における基板６０に接着剤７０を介して接着する。こうして、センサ装置Ｓ１ができあがる。

その後、金やアルミなどのワイヤボンディングを行い、配線部材４０としてのワイヤによって、制御チップ３０とリード８０との間、および、制御チップ３０とセンサチップ２０の一面とを結線する。その後、ポッティングにより、上記した接着剤７０との配置関係を満足するように、封止樹脂５０を配置し、これを硬化させる。

ところで、本実施形態によれば、まず、制御チップ３０が搭載されている基板６０がセンサチップ２０下まで到達しておらず、センサチップ２０は、基板６０に比べて熱伝導率が小さい樹脂よりなるケース１０に、直接接着されている。そのため、制御チップ３０で発生した熱は、ケース１０により断熱され、センサチップ２０には伝わりにくい。

たとえば、本実施形態において、基板６０がセラミックの場合、その熱伝導率は１０Ｗ／ｍＫ程度であり、基板６０が銅などの金属の場合、その熱伝導率は１００Ｗ／ｍＫ以上であるのに対し、ケース１０を構成するエポキシ樹脂の熱伝導率は、０．５Ｗ／ｍＫ程度であり、大変小さい。

また、センサチップ２０の上下を同一の樹脂材料で同一の位置まで封止しているので、センサチップ２０の上側と下側とで応力のバランスが取れており、樹脂材料の線膨張係数が実質同一となっているため、温度変化によりセンサチップ２０に加わる応力の差が、極力低減される。つまり、温度変化の際に、センサチップ２０に応力がほとんどかからない構造となる。なお、線膨張係数については樹脂材料中のフィラー量を調整することなどにより、可能である。

また、センサチップ２０を接着している接着剤７０についても、センサチップ２０の直上の封止樹脂５０および直下のケース１０と線膨張係数を合わせることが好ましい。しかし、センサチップ２０の直上の封止樹脂５０の厚さは５００μｍ程度、直下のケース１０の厚さは１ｍｍ程度であるのに対し、この接着剤７０の厚みは数十μｍ程度と大幅に小さいため、この接着剤７０については、線膨張係数を合わせなくても実質的に影響はない。

このように、本実施形態によれば、制御チップ３０で発生した熱がセンサチップ２０へ伝わりにくくするとともに、温度変化によりセンサチップ２０に加わる応力を低減することができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態に係るセンサ装置Ｓ２の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、封止樹脂５０を変形したことが相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

図２に示されるように、本実施形態では、封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部を、ダム部５１として構成している。そして、このダム部５１によって、ダム部５１よりも制御チップ３０側に位置する封止樹脂５０の部分がダム部５１を越えてはみ出すのを防止するようにしている。

このダム部５１は、封止樹脂５０の一部であり、封止樹脂５０およびセンサチップ２０の直下に位置するケース１０の部分と同一の樹脂、ここではエポキシ樹脂よりなるものである。この場合、ダム部５１と、当該ダム部５１よりも制御チップ３０側に位置する封止樹脂５０の部分とでは、ダム部５１の方を先に配置する。

このとき、ポッティングによりダム部５１の樹脂を先に配置し、その後、そのダム部５１よりも制御チップ３０側に位置する封止樹脂５０の部分を配置するが、ダム部５１を先に硬化させた後、後者の部分をポッティングしてもよいし、ダム部５１を硬化させず後者の部分をポッティングした後、全体を同時に硬化してもよい。

本実施形態によれば、封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部がダム部５１として構成されているため、当該端部としてのダム部５１よりも制御チップ３０側に位置する封止樹脂５０の部分が、ダム部５１にて堰き止められ、ダム部５１よりも外側にはみ出すのを防止できる。そのため、封止樹脂５０におけるセンサチップ２０側の端部の位置を精度よく規定することができる。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態に係るセンサ装置Ｓ３の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第１実施形態に比べて、センサチップ２０下を封止する樹脂の構成が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

上記第１実施形態では、センサチップ下を封止する樹脂の長さＬ２は、センサチップ下に位置する接着剤７０の長さＬ２に相当した。それに対して、本実施形態では、図３に示されるように、センサチップ下を封止する樹脂の長さＬ２の分よりも、センサチップ２０を接着する接着剤７０の長さが短いものであり、その分、封止樹脂５０がセンサチップ２０の下側に入り込んでいる。

つまり、本実施形態では、センサチップ下を封止する樹脂の長さＬ２は、センサチップ２０の下すなわち他面側にてセンサチップ２０とケース１０との間に入り込んだ封止樹脂５０と、接着剤７０とを合わせた長さとされている。

この場合も、上記第１実施形態と同様に、制御チップ３０で発生した熱がセンサチップ２０へ伝わりにくくするとともに、温度変化によりセンサチップ２０に加わる応力を低減することができる。

なお、本実施形態におけるセンサチップ２０の直下に位置し、センサチップ２０を接着する接着剤７０は、封止樹脂５０と同じ樹脂材料であってもよい。この場合、接着剤７０は、センサチップ２０の下側において、上記第２実施形態に示したようなダム部の機能が期待できる。

（第４実施形態）
図４は、本発明の第４実施形態に係るセンサ装置Ｓ４の概略断面構成を示す図である。本実施形態は、上記第３実施形態に比べて、センサチップ２０下に位置するケース１０の構成が相違するものであり、ここでは、その相違点を中心に述べることとする。

図４に示されるように、センサチップ２０下に位置するケース１０の部分に、センサチップ２０側に突出する突起１１を設けた、この突起１１の先端とセンサチップ２０との間に接着剤７０を介在させて接着固定を行っている。これにより、センサチップ２０の下に容易に封止樹脂５０を回り込ませることができる。

（他の実施形態）
なお、ケース１０のうち接着剤７０の直下に位置する部位は、封止樹脂５０と同一の樹脂材料よりなるものであればよく、上記したエポキシ樹脂以外の樹脂にて同一の樹脂であってもよい。

また、制御チップ３０で発生した熱がセンサチップ２０へ伝わりにくくするなっているため、上記実施形態のように、センサチップ２０が熱式流量素子である場合に特に有効であるが、もちろん、センサチップ２０としては、それ以外にも、圧力検出素子、加速度検出素子などであってもよい。

本発明の第１実施形態に係るセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第２実施形態に係るセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係るセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第４実施形態に係るセンサ装置の概略断面図である。 本発明者が試作した試作品としてのセンサ装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ ケース
２０ センサチップ
３０ 制御チップ
４０ 接続部材
５０ 封止樹脂
５１ ダム部
７０ 接着剤

Claims (3)

1. ケース（１０）と、
   前記ケース（１０）に支持されて検出を行うセンサチップ（２０）と、
   前記ケース（１０）に支持されて前記センサチップ（２０）の隣に配置され、前記センサチップ（２０）の制御を行う制御チップ（３０）と、
   前記センサチップ（２０）と前記制御チップ（３０）とを結線し電気的に接続する接続部材（４０）と、
   前記ケース（１０）内に設けられ、前記接続部材（４０）および前記接続部材（４０）と前記両チップ（２０、３０）との接続部位を封止する封止樹脂（５０）と、を備え、
   前記センサチップ（２０）における前記制御チップ（３０）寄りの部位の一面に、前記接続部材（４０）が接続されるとともに、前記センサチップ（２０）における当該制御チップ（３０）寄りの部位の他面が接着剤（７０）を介して前記ケース（１０）に直接接着されることで前記センサチップ（２０）は前記ケース（１０）上に固定されており、
   前記封止樹脂（５０）は、前記制御チップ（３０）側から前記センサチップ（２０）側に延びるとともに、当該封止樹脂（５０）における前記センサチップ（２０）側の端部は、前記接着剤（７０）における前記制御チップ（３０）側の端部とは反対側の端部と同じ位置となっており、
   前記ケース（１０）のうち前記接着剤（７０）の直下に位置する部位は、前記封止樹脂（５０）と同一の樹脂材料よりなることを特徴とするセンサ装置。
2. 前記ケース（１０）のうち前記接着剤（７０）の直下に位置する部位を構成する樹脂材料、および、前記封止樹脂（５０）を構成する樹脂材料は、ともにエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記封止樹脂（５０）における前記センサチップ（２０）側の端部は、当該端部よりも前記制御チップ（３０）側に位置する前記封止樹脂（５０）の部分が当該端部を越えてはみ出すのを防止するダム部（５１）として構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサ装置。

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