JP2010107366A - 半導体圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】気泡発生による特性劣化および断線を抑制した半導体圧力センサを提供すること。
【解決手段】リード２０をインサート成型して形成された樹脂ケース１０と、樹脂ケース１０に接着された圧力検出用センサセル１１と、センサセル１１とリード２０と金属ワイヤ１２とを被覆する保護材とを備える半導体圧力センサにおいて、
樹脂ケース１０は、凹部からなるセンサセル搭載部１４と、凹部に隣接して形成されるリード搭載部１６と、を備え、センサセル搭載部１４の側壁とセンサセル１１の側壁との間に接着材料２５が所定の高さで満遍なく敷き詰められている半導体圧力センサ。
【選択図】 図１

Description

この発明は、リードをインサート成型してなる樹脂ケースと、前記樹脂ケースに設けられた圧力検出用センサセルおよび、前記センサセルおよび外部への電気信号伝達を目的とした金属ワイヤおよび金属ワイヤボンディング部分を被覆して保護する保護材とを備える半導体圧力センサに関する。

従来、この種の圧力センサは樹脂を成型してなるケースに圧力検出用センサセルを設け、このセンサセルおよび電気配線を保護材で被覆保護してなる構造で成り立つものが提案されている。
図４は、従来の圧力センサの要部断面図である。
樹脂を成型してなるケース１０は、中央部にダイアフラムを備えた半導体チップ２とガラスまたはシリコンからなる台座３とを接合した圧力検出用センサセル１１を搭載するための凹部形状のセンサセル搭載部１４と、外部へ電気信号を伝達するためのリード２０を設置するためのリード設置部１６とを備える構造になっており、センサセル搭載部１４はリード設置部１６と比して凹んだ位置に設置されている。ケース１０とセンサセル１１は接着材料１５にて接着されている。

また、リード２０とセンサセル１１は金属ワイヤ１２によって電気的に接続されている。
センサセル搭載部１４及びリード設置部１６には、前記センサセル１１、リード２０及び金属ワイヤ１２の保護及び圧力伝達媒体を目的とした軟らかいゲルなどからなる保護材１３が充填されおり、センサセル１１、センサセル搭載部１４、リード２０及び金属ワイヤ１２は保護材１３中に完全に埋没している。

図４で示される圧力センサ３０は、センサセル搭載部１４とセンサセル１１が互いに接触する部分のみを接着材料１５にて接着されており、保護材１３と角部１９では接着材料１５を間に挟むことなく直接接触している。
図４で示される圧力センサ３０は、センサセル１１の表面を被覆する保護材１３を介して圧力を印加する絶対圧型の圧力センサである。

また、特許文献１や特許文献２には、同様の圧力センサにおいて、保護材と角部との間に接着材料が介在した構成について記載されているが、接着材料はセンサセルとケースのセンサセル搭載部の側壁との間にまで延在して、該間の一部を埋め尽くすようには形成されていない。
また、特許文献３には、相対圧型の圧力センサについて記載されており、その図４には、センサセルの台座に圧力導入穴が形成されチップ取付部に取り付けられており、そして、圧力導入穴に保護材が充填され、チップ取付部の裏面に保護材注入室を備えている圧力センサが示されている。この保護材注入室の角部を硬い保護材で覆うことによりクラックを起因とする気泡の発生を抑制している。

また、特許文献４や特許文献５には、インサート成形された導体部材と樹脂ケースとの隙間などに起因する保護部材中の気泡の発生を抑制するために、硬い保護部材と柔らかい保護部材とを積層することが記載されている。
特開２００４−３６１３０８号公報 特開２００６−３０８３９９号公報 特開２００８−９６２８３号公報 特開２００１−３３０５３０号公報 特開２００６−１７７８５９号公報

図４に示したような圧力センサ３０においては、温度圧力サイクル試験などで、センサセル１１を取り巻くように保護材１３中に気泡が発生することが分かった。この保護材１３中の気泡の発生により保護材１３を介したセンサセル１１への圧力伝播特性変動に起因したセンサ出力変動や気泡収縮膨張により金属ワイヤ１２および金属ワイヤボンディング部の破断、剥離が生じるという問題が発生する恐れがある。

この発明の目的は、樹脂を成型してなるケース１０に圧力検出用センサセル１１を設け、このセンサセル１１および金属ワイヤ１２を保護材１３で被覆保護してなる構造の圧力センサにおいて、保護材１３中の気泡発生抑止及びそれに起因した金属ワイヤ１２の破断、圧力特性変動抑制を抑制した圧力センサを提供することである。

そこで、上記の課題を解決するために本発明は、リードをインサート成型してなる樹脂ケースと、前記樹脂ケースに接着された圧力検出用センサセルと、前記センサセルと前記リードとを電気的に接続する金属ワイヤ前記センサセルを被覆する保護材とを備える半導体圧力センサにおいて、
前記樹脂ケースは、前記センサセルが接着材料により接着される凹部からなるセンサセル搭載部と、前記凹部に隣接して形成され前記リードが搭載されるリード搭載部と、を備え、
前記センサチップ搭載部の側壁と前記センサセルの側壁との間に接着材料が所定の高さで満遍なく敷き詰められている半導体圧力センサとする。これにより角部による保護材内部のひずみ、応力集中を緩和し気泡の発生や金属ワイヤの破断を抑止することができる。

また、前記凹部の高さをＬ、前記凹部の幅をＳ、前記センサチップの幅をＷ、ω＝Ｗ−Ｓ、凹部の側壁と前記センサセルとの間の接着材料の高さをＲとし、次の式で示される値を接着材料の体積占有率（％）とした場合、前記体積占有率が１３％〜５０％であるものとするとより好ましい。
また、２５０ｋＰａ以上の圧力を検出する半導体圧力センサであるものとする。

この発明によれば、センサセルをケースの凹部形状のセンサセル搭載部に接着材料により接合する圧力センサにおいて、接着材料がセンサセル搭載部の側壁とセンサセルの側壁の間の空隙に延在して形成することにより、気泡の発生を抑制した半導体圧力センサを提供することができる。
また、従来から保護材などの材料を増やすことなく製造できる半導体圧力センサを提供することができ、また、従来と同様の製造工程で製造することができる半導体圧力センサを提供することができる。

図４の圧力センサ３０における気泡の発生について検討を行ったところ、２５０ｋＰａよりも小さい圧力を印加する圧力センサの試験では気泡の発生は見られなかったが、２５０ｋＰａ以上の圧力を印加する圧力センサでの試験では気泡が発生することが分かった。さらに検討を行ったところ、圧力センサの角部１９および底面部１７から気泡が発生し成長することが突き止められた。

これは圧力検出用センサセル１１を搭載した場合だと保護材１３中の気泡として、また、圧力検出用センサセル１１を搭載しない場合だと角部１９から保護材１３表面までの保護材１３の破断として発現した。
このことより、圧力検出用センサセル搭載部１４に角部１９が存在することで保護材１３中にひずみや応力集中が起き、気泡や破断の発生はその力の解放による結果だと考えられる。

本発明では、樹脂ケースは、ＰＰＳ樹脂などを用いることができ、インサートモールドのような形成方法により形成される。また、保護材は、フロロシリコンゲルなどのゲルを用いることができる。また、接着材料は、シリコン接着剤などの接着剤を用いることができる。

図１に本発明の半導体圧力センサの要部断面図を示す。なお、図４と同一の構成については同一の符号を付した。
リード２０がインサート成形された樹脂ケース１０のセンサセル搭載部１４に、接着材料２５を所定量塗布し、中央部にダイアフラムが形成された半導体チップ２をガラス台座３と静電接合により接合したセンサセル１１を、接着材料２５を押し込むようにしてセンサセル搭載部１４に接着する。その後、金属ワイヤ１２をボンディングしてリード２０とセンサセル１１とを接続する。その後、ゲルからなる保護部材１３を充填し、図１に記載の半導体圧力センサ1を形成した。ここで、センサセル１１の高さとセンサセル搭載部１４の凹部の高さは、金属ワイヤ１２のボンディング面を揃えるためにほぼ同じ高さとしている。

図１で示される半導体圧力センサ１は、底面部１７及び角部１９が接着材料２５にて接着、被覆されており、保護材１３と底面部１７及び角部１９は接着材料２５を間に挟む構造となっている。そのため保護材１３と角部１９とが直接接触しない。特許文献１または特許文献２においても保護材と角部とは直接接触しない構成が記載されている。しかしながら、接着材料がセンサセルとセンサセル搭載部との間まで延在しない構成となっている。これは、特許文献１や特許文献２に記載の圧力センサに用いられるセンサセルは、より低い圧力を感知できるように、チップの圧力感度を高める構造をとっているため、接着材料がセンサセルとセンサセル搭載部との間まで延在すると、ケース１０、接着材料２５からの応力を受けることでセンサの温度圧力特性悪化が懸念されるためである。

これに対して、本発明では、図１に記載のように、接着材料２５がセンサセル１１とセンサセル搭載部１４との間まで延在し、センサセル１１とセンサセル搭載部１４との間において、センサセル１１の底面より高い厚さとなるように接着材料２５を形成する構成としている。本発明の半導体圧力センサ１では、使用圧力レンジが２５０ｋＰａ以上と比較的高く、センサセル１１の圧力感度が低い。そのため接着材料１５を増加させてセンサセル１１とセンサセル搭載部１４の間まで延在するように形成しても接着材料１５からの応力影響は無視できるほど小さい。

センサセル搭載部１４とセンサセル１１との間の接着材料２５が延在する箇所においては、センサセル搭載部１４の凹部の側面およびセンサセル１１の側面は、それぞれの底面に対してほぼ垂直である。
図２は、図１の要部拡大図である。
センサセル搭載部１４に圧力検出用センサセル１１を搭載することで形成される空隙１８に対し接着材料２５がどれだけ占有すれば気泡発生を防止できるか調査した。

以下にその詳細を述べる。
接着材料２５による空隙１８に対しての体積占有率を変化させ圧力サイクル印加実験を行い保護材１３中に気泡が発生するまでのサイクル数を調べた。
体積占有率（％）は次の数式（１）のとおり定めた。

ここで、Ｒ:接着材料２５の高さ、Ｌ:センサセル搭載部１４の深さ、ω:ＳからＷを引いた値、Ｗ:圧力検出用センサセル１１の幅、Ｓ:センサセル搭載部１４の幅、とする。
また、Ｗは、３．６ｍｍ、Ｓは、３．９５ｍｍ、Ｌは、１．４５ｍｍとした。また、ケース１０は、ＰＰＳ樹脂を用い、接着材料は、サイフェルゲル（信越化学工業(株)製）を用い、保護材は、ＴＳＥ３２５１（東芝シリコーン(株)製）のシリコン接着剤を用いた。

図３は、体積占有率を変化させて圧力サイクル印加実験を行い、気泡が発生するまでのサイクル数との関係を調べた結果を示すグラフである。
空隙１８の体積の１３％以上５０％以下を接着材料１５にて占有させることで保護材１３中での気泡発生を防止できることが判明した。ここで接着材料２５の下限値を１３％と定義したのはそれ以下だと底面部１７及び角部１９を満遍なく被覆することが非常に困難になるためである。

接着材料２５の体積占有率を１３％から３０％と増加させていくごとに気泡が発生するまでのサイクル数が長くなった。
体積占有率を３０％に引き上げると今度は逆に気泡が発生するまでのサイクル数が短くなる傾向が見られた。
さらに、体積占有率を５０％以上とすると、圧力サイクル試験実施直後に気泡が見られた。これは、接着材料２５の体積占有率が大きくなりすぎて新たな応力集中が発生したためだと考えられる。

また、体積占有率を５０％以上とすることは圧力検出用センサセル１１のガラス台座によるケース１０からのストレス緩和効果を薄くしてしまい、温度圧力特性の悪化を招く。
また、センサセル搭載部１４の幅ＳをＳ=４．６ｍｍと大きくしたケースを用いたサンプルを作成し同様の実験を行ったところ、やはり占有率を５０％以上にすると気泡が発生することが確認された。

以上の結果より、接着材料の占有率を５０％以下に抑えることで気泡発生を抑制でき、かつ実際に採用する体積占有率は２５％程度が理想的であると考えられる。

この発明の第１実施例の半導体圧力センサの要部断面図 図１の半導体圧力センサの要部拡大断面図 接着材料の体積占有率を示すグラフ 従来の半導体圧力センサの要部断面図

符号の説明

１、３０ 半導体圧力センサ
２ 半導体チップ
３ 台座
１０ 樹脂ケース
１１ センサセル
１２ 金属ワイヤ
１３ 保護材
１４ センサセル搭載部
１５、２５ 接着材料
１６ リード搭載部
１７ 底面
１８ 空隙
１９ 角部
２０ リード

Claims (3)

1. リードをインサート成型してなる樹脂ケースと、前記樹脂ケースに接着された圧力検出用センサセルと、前記センサセルと前記リードとを電気的に接続する金属ワイヤ前記センサセルを被覆する保護材とを備える半導体圧力センサにおいて、
   前記樹脂ケースは、前記センサセルが接着材料により接着される凹部からなるセンサセル搭載部と、前記凹部に隣接して形成され前記リードが搭載されるリード搭載部と、を備え、
   前記センサセル搭載部の側壁と前記センサセルの側壁との間に接着材料が所定の高さで満遍なく敷き詰められていることを特徴とする半導体圧力センサ。
2. 前記凹部の高さをＬ、前記凹部の幅をＳ、前記センサチップの幅をＷ、ω＝Ｗ−Ｓ、凹部の側壁と前記センサセルとの間の接着材料の高さをＲとし、次の式（１）で示される値を接着材料の体積占有率（％）とした場合、前記体積占有率が１３％〜５０％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。
   

   
3. 前記半導体圧力センサは、２５０ｋＰａ以上の圧力を検出する半導体圧力センサであ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。

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