JP2015197378A - 半導体圧力センサおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】圧力センサ素子2と、圧力センサ素子2からの信号を受けて圧力検出信号を出力する制御素子3と、圧力センサ素子2および制御素子3に電気的に接続されたフレキシブルプリント配線板4と、を備えた圧力センサ10。圧力センサ素子2は、フレキシブルプリント配線板4の実装部分21の第1の面21a側に設けられている。制御素子3は、フレキシブルプリント配線板4の実装部分21の第2の面21b側に設けられている。圧力センサ素子2と制御素子3とは、フレキシブルプリント配線板4の実装部分21の厚さ方向から見たときに、少なくとも一部が互いに重なるように配置されている。
【選択図】図1
Description
この種の圧力センサとしては、例えば、圧力センサ素子と、圧力センサ素子からの信号を受ける制御素子と、を有するものがある。
しかし、従来技術で用いられるリードフレームは、強度を保つために一定の厚みが必要となるため、小型化は困難であった。また、リードフレームの厚みに伴って長くなったボンディングワイヤが、外界からの電磁ノイズをひろい、ノイズが増加することがあった。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであって、小型化が可能であり、かつ耐ノイズ性に優れた圧力センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面側には、前記実装部分を覆う台座部が設けられ、前記台座部は、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分に対して交差する方向に形成された貫通孔を有し、前記フレキシブルプリント配線板は、前記実装部分を外れた部分が前記貫通孔を通して前記台座部の底面側に導出されている構成としてもよい。
本発明は、前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板より曲げ剛性が高く、前記フレキシブルプリント配線板に重ねて設けられた補強用配線基板であり、前記圧力センサ素子は、前記補強用配線基板に設けられ、前記補強用配線基板を介して前記フレキシブルプリント配線板に電気的に接続されている構成としてもよい。
本発明は、前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板に積層された他のフレキシブルプリント配線板である構成としてもよい。
本発明は、前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面に、前記制御素子を覆って設けられた固定樹脂層であり、前記制御素子は、前記固定樹脂層によって前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面に固定されている構成としてもよい。
前記圧力センサ素子または制御素子は、ボンディングワイヤにより前記フレキシブルプリント配線板または前記補強用配線基板に接続することができる。
前記圧力センサ素子または制御素子は、フリップチップ実装により前記フレキシブルプリント配線板または前記補強用配線基板に接続することができる。
また、FPCを用いるため、配線構造を必要以上に長く形成する必要がなく、耐電磁ノイズ性を高め、検出精度を高めることができる。
また、FPCをそのまま外部接続用の端子として使用できるため、配線の引き回しが容易となる。外部機器との中継接続のための構造が不要となることから、構造を簡略化し、小型化および低コスト化を図ることができる。
図1は、本発明の半導体圧力センサ(以下、単に圧力センサという)の第1の実施形態である圧力センサ10の断面図である。
以下の説明において、「上」および「下」は、図1における上下に即している。また、高さ方向とは、図1における上方である。「平面視」とは、フレキシブルプリント配線板4の実装部21の厚さ方向(図1の上下方向)から見ることをいう。
固定樹脂層5は、例えばエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂などからなり、FPC4の実装部21の第2面21bに、制御素子3を固定することができる。
固定樹脂層5は、制御素子3を覆って形成することが望ましい。図示例の固定樹脂層5は、実装部21の第2面21b、制御素子3、およびボンディングワイヤ14を覆って形成されている。
固定樹脂層5は、樹脂成型によって形成することができる。
「曲げ変形を規制する」とは、FPC4(実装部21)単独の場合に比べて、FPC4(実装部21)が曲がりにくくなることをいう。
台座部6は、樹脂成型によって形成することができる。台座部6は、例えばFPC4を樹脂中に埋め込んだ状態でこの樹脂を成型することにより形成することができる。この場合でも垂直延出部22cは挿通孔6aに挿通した形態となる。
上部基体7の内部空間(収容部7a)は、圧力センサ素子2、補強用配線基板9および保護剤8を収容できる。収容部7aは円筒形とすることができる。環状壁部12は、本体部11と一体に形成することができる。
上部基体7は、例えばエポキシ系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリフェニレンサルファイドなどの樹脂からなり、樹脂成型によって形成することができる。
台座部6と上部基体7とは別体であってもよいし、樹脂成型(一体成型)により一体に形成されていてもよい。
図2は、第1面21a(図1の上面)側から見たFPC4、補強用配線基板9および圧力センサ素子2の平面図である。図3は、第2面21b(図1の下面)側から見たFPC4および制御素子3の平面図である。
図2および図3に示すように、FPC4は、平面視矩形の実装部21と、実装部21から延出する一定幅の帯状の延出部22とを有する。延出部22の先端部には端子部22aが形成されている。端子部22aは、外部の機器に接続可能である。
垂直延出部22cは、台座部6を上下方向に貫通する挿通孔6aに挿通し、台座部6の底面6bから外方(下方)に導出されている。
補強用配線基板9は、絶縁基板の一方または両方の面に、銅などの金属からなる配線層が形成されたものである。
補強用配線基板9は、FPC4の曲げ変形を規制する補強手段として機能し得る程度の曲げ剛性(好ましくはFPC4よりも高い曲げ剛性)を有することが望ましい。
絶縁基板は、非可撓性材料からなるもの、例えばガラス基板、セラミックス基板等が使用できる。また、樹脂材料からなる非可撓性基板、例えば、ガラス繊維で強化した樹脂(エポキシ系樹脂等)からなる基板を使用してもよい。
図2に示す例では、補強用配線基板9は、実装部21と同じ平面視形状(矩形)とされ、平面視において実装部21と重なる位置に設けられている。
実装部21の第1面21aの配線層(図示略)、および第2面21bの電極24は、実装部21および延出部22に形成された配線層(図示略)を介して延出部22の端子部22aに電気的に接続されている。
この例の圧力センサ素子2は、ダイアフラム部が圧力を受けて撓むと、各歪ゲージにダイアフラム部の歪み量に応じた応力が発生し、この応力に応じて歪ゲージの抵抗値が変化し、この抵抗値変化に応じたセンサ信号が出力される。
この圧力センサ素子2は、MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)技術を利用した圧力センサ素子である。
圧力センサ素子2の回路形成面2aは外側(図1の上面側)に向けられている。回路形成面2aの回路をなす配線層(図示略)は、ボンディングワイヤ13を介して補強用配線基板9の電極23に電気的に接続されている。
なお、実装部21、補強用配線基板9および圧力センサ素子2の大小関係(平面視における大小関係)は図示例に限定されない。例えば、圧力センサ素子2は平面視において実装部21より大きくてもよい。また、圧力センサ素子2は、平面視において一部領域が実装部21から外れた位置にあってもよい。
圧力センサ素子2および補強用配線基板9は、収容部7a内に充てんされた保護剤8に覆われていることが好ましい。保護剤8は、水や外気の浸入を防ぎ、圧力センサ素子2への悪影響を防ぐことができる。
保護剤8としては、例えば、硬度約0(ショアA硬度。JIS K 6253に準拠)の柔らかいゲル剤を用いることが望ましい。
保護剤8は、測定対象から加えられる圧力をそのまま圧力センサ素子2に伝達できる。このため、圧力センサ素子2による圧力検出の精度を低下させることはない。
制御素子3は、例えば、圧力センサ素子2のON/OFF制御、内蔵する温度センサによる検出値の補正、検出データのA/D変換、リニアリティの補正、信号波形の整形などの機能を有する。
前記演算処理部では、前記温度信号に基づいて、圧力センサ素子2からのセンサ信号に補正処理を行うことができる。
温度センサとしては、抵抗式(ブリッジ抵抗式)、ダイオード式、熱電対式、赤外線式などがある。
温度センサは、制御素子3内部において、回路形成面3aに近接した位置に設けることができる。
図3に示すように、制御素子3の幅は、実装部21の幅より小さいことが好ましく、制御素子3の長さは、実装部21の長さより小さいことが好ましい。図示例では、平面視において、制御素子3は、実装部21の形成範囲に含まれる範囲に形成されている。
なお、実装部21、制御素子3の大小関係(平面視における大小関係)は図示例に限定されない。例えば、制御素子3は平面視において実装部21より大きくてもよい。また、制御素子3は、平面視において一部領域が実装部21から外れた位置にあってもよい。
なお、この例では、平面視において、制御素子3の中央の一部領域が圧力センサ素子2の全領域に重なっているが、制御素子3の一部領域が圧力センサ素子2の一部領域と重なっていてもよいし、制御素子3の全領域が圧力センサ素子2の一部領域または全領域と重なる位置にあってもよい。
ボンディングワイヤ13,14は、例えば金、アルミニウムなどの金属からなる。
この図に示すように、圧力センサ10は、機器の筐体28内に設置できる。
筐体28は、下壁25と、その周縁部に立設された側壁26,26と、上壁27とを有する。筐体28は、下壁25と側壁26,26と上壁27とで区画される収容空間29に圧力センサ10を収容できる。
本体部11の上面11aと上壁27の下面との間には、軟質樹脂からなるパッキン18(Oリング等)が設けられる。パッキン18は環状壁部12を囲んで設けられる。
台座部6の底面6bは下壁25に当接しており、圧力センサ10は、下壁25によって上方に押圧されている。パッキン18は弾性的に圧縮変形し、その弾性力により上面11aと上壁27の下面との隙間を気密に塞いでいる。
FPC4の延出部22は、下壁25の通過孔25a(貫通孔)を通して外部に導出される。
図4に示すように、平面視矩形の実装部21Aと、実装部21Aの辺縁部21Aa,21Aaからそれぞれ延出する複数の延出部22とを有するFPC4Aを用意する。図示例のFPC4Aでは、実装部21Aの辺縁部21Aa,21Aaにそれぞれ3本の延出部22が形成されている。各辺縁部21Aaの複数の延出部22は、互いに間隔をおいて形成されている。
実装部21Aの第1面21a(図4における裏面側)には、実装部21Aと同じ平面視形状を有する補強用配線基板(図示略)を積層しておく。
この際、前記補強用配線基板が実装部21Aに重ねられているため、実装部21Aの曲げ変形が規制されることから、電極24の位置が変動することはない。よって、ボンディングワイヤ14を実装部21Aの電極24に確実に接続できる。
次いで、実装部21Aおよび補強用配線基板(図示略)を、ダイシングにより複数に分離する。図示例では、実装部21Aおよび補強用配線基板を図4における上下に3分割かつ左右に2分割して6つのFPC4を得る(図3を参照)。
次いで、図5に示すように、予め作製した上部基体7を補強用配線基板9上に設置する。
これに対し、逆に、上部基体7を設けた後にボンディングワイヤ13による接続を行う場合には、前記接続の操作のために収容部7aの内径が大きい上部基体7を用いる必要があり、圧力センサ10を小型化するうえで不利である。
以上の工程を経て、図1等に示す圧力センサ10を得る。
これに対し、リードフレームを用いる場合には、リードフレームを基体部1に埋設する都合上、リードフレームを長く形成する必要があり、この余分な部分のリードフレームによって電磁ノイズをひろいやすくなることがある。
外部機器との中継接続のための構造が不要となることから、構造を簡略化し、小型化および低コスト化を図ることができるという利点もある。
よって、図6に示す例において、下壁25によって台座部6の底面6bの広い面積を押圧することができるため、圧力センサ10に外部から大きな圧力が加えられた場合でも、圧力センサ10を安定に保持できる。
圧力センサ10を安定に保持できるため、筐体28の保持構造(下壁25、側壁26および上壁27)の小型化も可能となる。
これに対し、リードフレームを用いる場合には、基体部1の複数箇所からリードフレームが外方に延出する構造となることがあり、これを原因として、下壁25が押圧できる底面6bの面積が狭くなる場合がある。
このため、基体部1の側面についても凹凸がない構造とすることできる。よって、図6に示す例において、筐体28の側壁26,26によって、圧力センサ10をさらに安定に保持できる。
また、ボンディングワイヤ13,14の使用によって、圧力センサ素子2および制御素子3と、FPC4との接続信頼性を高め、高精度で圧力を検出できる。
以下に説明する各実施形態では、既出の圧力センサとの共通部分については同じ符号を付してその説明を省略または簡略化する。
第2のFPC15は、第1のFPC4の実装部21の第2面21b側に積層されている。第2のFPC15は、実装部21と同じ平面視形状(矩形)とされ、平面視において実装部21と重なる位置に設けられている。
第2のFPC15の第1面15aの配線層(図示略)は、第2のFPC15の絶縁基板に形成された貫通孔(図示略)に形成された配線(図示略)を介して、第2面15bの配線層(図示略)に電気的に接続されている。
制御素子3は、ボンディングワイヤ14を介して第2のFPC15の第2面15bの配線層(図示略)に電気的に接続されている。
また、補強手段として用いるFPCの数は、図示例に限らず、2枚以上の任意の数とすることもできる。すなわちFPC4の実装部21に、2枚以上のFPC15を積層することができる。
圧力センサ30は、補強用配線基板9を備えていない点、および制御素子3がフリップチップ実装により実装部21に接続されている点で、図1に示す圧力センサ10と異なる。
圧力センサ素子2は、ボンディングワイヤ13を介して、FPC4の実装部21の第1面21aの配線層(図示略)に電気的に接続されている。
制御素子3は、回路形成面3aが実装部21に向けられている。回路形成面3aの回路をなす配線層(図示略)は、半田バンプ16を介して実装部21の第2面21bの配線層(図示略)に電気的に接続されている。
図4に示すFPC4Aを用意する。
実装部21Aの第2面21bに制御素子3を搭載する。第2面21bの配線層(図示略)に、半田バンプ16(図8参照)を介して制御素子3の配線層(図示略)を接続する。
実装部21の第2面21bおよび制御素子3を覆うように固定樹脂層5A(補強手段)を形成する。
次いで、FPC4Aを、ダイシングにより複数のFPC4に分割する。
この際、固定樹脂層5によって実装部21Aの曲げ変形が規制されることから、ボンディングワイヤ13を実装部21Aに確実に接続できる。
上部基体7を設置し、樹脂成型により台座部6を形成し、収容部7aに保護剤8を充てんすることによって、圧力センサ30を得る。
図1に示す圧力センサ10で使用される補強用配線基板9は、FPC4よりも高い曲げ剛性を有することが望ましいが、曲げ剛性がFPC4と同じまたはこれより低くてもよい。
なお、圧力センサ素子2は、フリップチップ実装により補強用配線基板9または実装部21に接続することも可能ではあるが、ワイヤボンディングを採用する方が、圧力センサ素子2の精度確保の点で好ましい。
Claims (8)
- 圧力センサ素子と、
前記圧力センサ素子からの信号を受けて圧力検出信号を出力する制御素子と、
前記圧力センサ素子および前記制御素子に電気的に接続されたフレキシブルプリント配線板と、を備え、
前記圧力センサ素子は、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分の第1の面側に設けられ、
前記制御素子は、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分の第2の面側に設けられ、
前記圧力センサ素子と前記制御素子とは、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分の厚さ方向から見たときに、少なくとも一部が互いに重なるように配置されていることを特徴とする半導体圧力センサ。 - 前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面側には、前記実装部分を覆う台座部が設けられ、
前記台座部は、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分に対して交差する方向に形成された貫通孔を有し、
前記フレキシブルプリント配線板は、前記実装部分を外れた部分が前記貫通孔を通して前記台座部の底面側に導出されてい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。 - 前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、
前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板より曲げ剛性が高く、前記フレキシブルプリント配線板に重ねて設けられた補強用配線基板であり、
前記圧力センサ素子は、前記補強用配線基板に設けられ、前記補強用配線基板を介して前記フレキシブルプリント配線板に電気的に接続されてい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。 - 前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、
前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板に積層された他のフレキシブルプリント配線板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。 - 前記フレキシブルプリント配線板の曲げ変形を規制する補強手段、をさらに備え、
前記補強手段は、前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面に、前記制御素子を覆って設けられた固定樹脂層であり、
前記制御素子は、前記固定樹脂層によって前記フレキシブルプリント配線板の前記第2の面に固定されてい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。 - 前記圧力センサ素子または制御素子は、ボンディングワイヤにより前記フレキシブルプリント配線板または前記補強用配線基板に接続されていることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体圧力センサ。
- 前記圧力センサ素子または制御素子は、フリップチップ実装により前記フレキシブルプリント配線板または前記補強用配線基板に接続されていることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の半導体圧力センサ。
- 圧力センサ素子と、前記圧力センサ素子からの信号を受けて圧力検出信号を出力する制御素子とを、それぞれフレキシブルプリント配線板の実装部分の第1の面側および第2の面側に、前記フレキシブルプリント配線板に電気的に接続されるように設け、
この際、前記圧力センサ素子と前記制御素子とを、前記フレキシブルプリント配線板の実装部分の厚さ方向から見たときに、少なくとも一部が互いに重なるように配置することを特徴とする半導体圧力センサの製造方法。
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