JP2016133367A - 熱式空気流量計 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度を向上させた熱式空気流量計を提供する。【解決手段】半導体基板に形成された空洞部２８と空洞部２８を覆うように形成されたダイアフラム２７とを有し、副通路に配置され被計測流体の流量を計測するセンサチップ４と、センサチップ４により検出した流体流量を電気信号に変換する回路部３と、センサチップ４が実装されるプレート２と、プレート２には外気と接続するための溝（空気通路）１３と、プレート２が実装されるリードフレーム１を有し、センサチップ４及びプレート２とリードフレーム１は、センサチップ４のダイアフラム２７の一部が露出するように樹脂でモールドされ、プレート２の主面は（１００）面のシリコンとし、さらにプレート２に形成される溝（空気通路）１３の長手方向は＜１００＞方向である。【選択図】図１

Description

本発明は被測定気体の流量を計測する流量計に係り、特に、内燃機関の吸入空気量を計測する熱式空気流量計に関する。

気体流量を計測する熱式空気流量計は、流量を計測するための流量検出部を備え、前記流量検出部と計測対象である気体との間で熱伝達を行うことにより、気体の流量を計測するように構成されている。熱式空気流量計が計測する流量は、様々な装置において重要な制御パラメータとして広く使用されている。熱式空気流量計の特徴は、他方式の流量計に比べ相対的に高い精度で気体流量、例えば質量流量を計測できることである。

しかし、さらなる気体流量計測精度の向上が望まれている。例えば、内燃機関を搭載した車両では、省燃費の要望や排気ガス浄化の要望が非常に高い。これらの要望に応えるには、内燃機関の主要パラメータである吸入空気量の計測高精度化、高速応答化が求められている。内燃機関に導かれる吸入空気量を計測する熱式空気流量計は、吸入空気量の一部を取り込む副通路と前記副通路に配置されたセンサチップを備え、センサチップに備えられる前記流量検出部が被計測気体との間で熱伝達を行うことにより、前記副通路を流れる被計測気体の状態を計測して、前記内燃機関に導かれる吸入空気量を表す電気信号を出力する。上記センサチップはMEMS技術により形成された部分的な空洞部及び薄膜部を有する。上記薄膜部をダイアフラムと呼び、ダイアフラム上に流量検出部を形成することで熱式空気流量計の応答速度の更なる高速化が可能となる。しかし、ダイアフラム上に配置された抵抗体に応力がかかると、ピエゾ効果により抵抗値が変化するため、流量計測時の誤差要因となる。そのため、ダイアフラム上に発生する応力を抑制する技術が必要となる。このような技術は、例えば特許文献１に開示されている。

WO２０１３−０８４２５９

特許文献１に記載の技術は、流量検出部である薄膜部からなるダイアフラム構造を有するセンサチップをプレートに搭載し、ダイアフラム裏面の空洞部と外気をプレートに形成された空気通路及び空気孔を介して接続する。そして、センサチップ及びプレートを、流量検出部であるダイアフラム表面を露出した状態で樹脂封止した後、流量を測定する副通路にダイアフラム表面を配置し、ダイアフラム裏面と外気を接続する空気孔を副通路の外に配置する。この技術によれば、流量測定時の温度変化によって生じるダイアフラム表裏面の圧力差を低減でき、ダイアフラムに発生する反りを抑制することができる。そのため、ダイアフラムに発生する応力を低減でき、計測精度低下を抑制することができる。ここで、特許文献１にも記載の通り、プレートの材料としては種々考えられるが、センサチップとの線膨張係数のマッチングや、カバーフレームへの空気通路の形成容易性を考えると、単結晶シリコン基板を用いるのが望ましい。しかし、本筆者らの誠意検討の結果、単結晶シリコン基板に空気通路を形成すると、樹脂封止時にセンサチップがプレートを押すことによって、プレートに曲げ変形が生じ、場合によってはプレートが破壊する場合があることを見出した。

本発明の目的は、樹脂封止時のプレート破壊を抑制し、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の熱式空気流量計は、前記プレートの主面は（100）面のシリコンとし、さらに前記プレートに形成される溝の長手方向は＜100＞方向であることを特徴とする。

本発明によれば、樹脂封止時のプレート破壊を抑制し、計測精度の高い熱式空気流量計を提供することが可能となる。

本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ内実装部品の平面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの平面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリの断面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時の断面図である。 本願に係る第１実施例における熱式空気流量計平面図である。 本願に係る第１実施例における熱式空気流量計断面図である。 本願に係る第１実施例におけるプレートの平面図及び断面図である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時の断面図である。 本願に係る第１実施例におけるシリコン材料の強度試験結果である。 本願に係る第１実施例におけるセンサアセンブリ作製時のプレートに発生する応力位置である。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。

まず初めに熱式空気流量計の第１実施例について説明する。図１はセンサアセンブリ１０形成前の実装部品の平面図であり、図２はセンサアセンブリ１０形成後の平面図、図３(a)は図２上のＡ−Ａ断面図、図３(b)は図２上のＢ−Ｂ断面図である。図１に示すように、センサアセンブリ１０は主成分を銅としたリードフレーム１、単結晶シリコンで形成したプレート２、ＬＳＩ３、単結晶シリコンで形成したセンサチップ４を備えており、図２に示すように、これらが第１樹脂２４で覆われている。また、プレート２には空洞部２８、空気通路１３、出口開口１７が設けられている。具体的な製造方法は、図３に示すように、まず、リードフレーム１上にプレート２を接着テープ５で接着し、さらにプレート２上にＬＳＩ３とセンサチップ４を接着テープ６、接着テープ７で接着する。次に、ＬＳＩ３とセンサチップ４の間、及びＬＳＩ３とリードフレーム１の間をワイヤボンディングにより金線８、９を用いて電気的に結線する。これらを第１樹脂２４によって樹脂封止し、センサアセンブリ１０が完成する。流量検出時は、図２の矢印方向もしくは反対方向から空気２６がセンサチップ４の流量検出部を有するダイアフラム２７上に流入することで流量を測定する。そのため、センサアセンブリ１０はセンサチップ４のダイアフラム部２７に第1樹脂２４が無い部分露出構造となっている。

図４に部分露出構造を製造するための工程を示す。図４（a）は図２のA-A断面、図４（b）は図２のB-B断面を示したものであり、実装部品を上金型１６と下金型１５でクランプしたときの断面図である。金型クランプ後、第１樹脂２４を金型内に流し込むことでセンサアセンブリ１０を作製するが、上記上金型１６および下金型１５は、センサチップ４のダイアフラム部２７を上金型１６で押すことによって樹脂封止時の樹脂の流入を防ぐ。これにより、センサアセンブリ１０は部分露出構造となる。

図５は、副通路１２を含む筐体１１にセンサアセンブリ１０を実装したときの正面図であり、図６は図５上のＡ−Ａ断面図である。上記筐体１１は、主通路を流れる空気をセンサチップ４に導くための副通路１２と、センサアセンブリ１０の保持部２０（副通路の側壁となる）と、センサアセンブリ１０の保持部２１と、前記リードフレーム１の外部接続端子の保持部１４とを備えており、第２樹脂からなる筐体１１形成と同時にセンサアセンブリ１０が固定される。この際、流量検出部を有するセンサチップ４は空気流量を測定する必要があるため、上記副通路１２中に配置される。本実施例では、センサアセンブリ１０から突出するアウターリードを筐体１１で保持し、外部接続端子とする構成としているが、外部接続端子としてコネクタ端子を別に設け、コネクタ端子を筐体１１の形成時にセンサアセンブリ１０と同時にインサートし、アウターリードとコネクタ端子とを筐体１１の形成後に電気的に溶着等で接続する構成としてもよい。

図７は上記プレート２の正面図及び、図７上のＣ−Ｃ断面図及びＤ−Ｄ断面図である。図７に示すとおり、プレート２は空洞部２８、空気通路１３、出口開口１７が設けられている。
プレート２は主面が（１００）面の単結晶シリコンで形成されている。空気通路１３の長手方向はシリコンの＜100＞方向となっている。

次に、上記第１実施例による作用効果について説明する。図4に示すセンサアセンブリ１０の製造工程において、ダイアフラム部２７の部分露出構造形成のため、センサチップ４を上金型１６で押す。これにより、プレート２表面はセンサチップ４から押し荷重を受け、プレート２裏面は、リードフレーム１から上記押し荷重に伴う反力を受ける。そのため、プレート２には、図８（図７のC-C断面）に示すように、プレート２に曲げ変形が生じ、空気通路１３に応力集中が生じて場合によってはプレート２が破壊する場合がある。

図９に示したように一般的に用いられている（100）面シリコン基板からサンプルを各々20点取り出して、３点曲げ法を用いてシリコン破壊強度を測定した結果（平均値）、＜110＞方向（角度ゼロ）を１とした場合に、＜100＞方向の強度が約1.25倍高くなることが判明した。さらに、＜100＞方向より±5°の範囲であれば強度比は大きく変化しないことも判明した。

我々が部分露出構造過程の金型押し込み時を模擬して応力解析した実施した結果を図１０に示すが、空気通路１３と平行に応力集中３０しており、空気通路１３に対して平行に割れやすいことが判明した。本実施例では、空気通路１３の長手方向を破壊強度が高い＜100＞方向としたので、プレート２の割れを抑制することができる。

また、プレート２の空気通路１３を、溝加工が容易で安価なサンドブラストにより形成する場合、図１１の拡大図に示すような微小なマイクロクラックが空気通路１３に形成される。このマイクロクラックは応力集中場となるので破壊強度を低下させる。そのため除去することが好ましい。フッ硝酸等の等方性の表面除去処理によって、シリコンのマイクロクラック除去もしくは、マイクロクラック先端を丸めるようにするとプレート２の破壊強度がより向上する。

１…リードフレーム
２…プレート
３…ＬＳＩ
４…センサチップ
５…接着テープ
６…接着テープ
７…接着テープ
８…金線
９…金線
１０…センサアセンブリ
１１…筐体
１２…副通路
１３…空気通路
１４…保持部
１５…下金型
１６…上金型
１７…出口開口
２０…保持部
２１…保持部
２４…第１樹脂
２６…空気
２７…ダイアフラム部
２８…空洞部
２９…センサチップ搭載領域
３０…応力集中位置

Claims (4)

1. 被計測流体の一部を取り込む副通路と、
   半導体基板に形成された空洞部と前記空洞部を覆うように形成された薄膜部を含むダイアフラムとを有し、前記副通路に配置され前記被計測流体の流量を計測するセンサチップと、
   前記センサチップにより検出した流体流量を電気信号に変換する回路部と、
   前記センサチップが実装され、前記センサチップの搭載側と逆側に溝が形成されるプレートと、
   前記プレートが実装されるリードフレームと、を有し、
   前記センサチップと前記プレートと前記リードフレームは、前記センサチップのダイアフラムの一部が露出するように樹脂でモールドされる熱式空気流量計であって、
   前記プレートは、主面が（100）面の単結晶シリコンであり、
   前記溝は、その長手方向が前記プレートの＜100＞方向となるように形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
2. 被計測流体の一部を取り込む副通路と、
   半導体基板に形成された空洞部と前記空洞部を覆うように形成された薄膜部を含むダイアフラムとを有し、前記副通路に配置され前記被計測流体の流量を計測するセンサチップと、
   前記センサチップにより検出した流体流量を電気信号に変換する回路部と、
   前記センサチップが実装され、前記センサチップの搭載側と逆側に溝が形成されるプレートと、
   前記プレートが実装されるリードフレームと、を有し、
   前記センサチップと前記プレートと前記リードフレームは、前記センサチップのダイアフラムの一部が露出するように樹脂でモールドされる熱式空気流量計であって、
   前記プレートは、主面が（100）面の単結晶シリコンであり、
   前記溝は、その長手方向が前記プレートの＜100＞方向より±5°の範囲となるように形成されていることを特徴とする熱式空気流量計。
3. 請求項１または２に記載の熱式空気流量計において、
   前記溝はサンドブラストにより形成されることを特徴とする熱式空気流量計。
4. 請求項３に記載の熱式空気流量計において、
   前記プレートの溝形成時に等方性のエッチングにより、マイクロクラックを除去、もしくはマイクロクラック先端を丸めたことを特徴とする熱式空気流量計。