JP2016191632A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されたとしても、配線基板に形成された金属配線パターンの剥離を防ぐことができる圧力センサを提供する。
【解決手段】半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、を具備し、前記内部空間に樹脂が充填された圧力センサであって、前記中継基板は、複数の基板の間に前記配線層を挟み込んで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサに関し、特に、半導体型圧力検出装置を収容した液封入式の圧力センサに関する。

従来、ダイアフラムで区画されてオイルが封入された受圧空間内に圧電素子等の圧力検出素子を収容した液封入式の圧力センサは、冷凍冷蔵装置や空調装置に装備されて冷媒圧力を検知したり、産業用機器に装備されて各種の流体圧力の検知に使用されている。
このような圧力センサとして、圧力検出素子を有する圧力検出部と、該圧力検出部に接続されて上記圧力検出部の外部に突出するリードピンと、上記リードピンが外部出力用リード線に電気的に接続可能に固定される配線基板と、を備えたものが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載された圧力センサにおいて、圧力検出素子は、上記受圧空間内に配置され、受圧空間内の圧力変化を電気信号に変換して外部に出力する機能を有している。
上記圧力検出素子からの出力信号は、上記受圧空間のベースを貫通する複数のリードピンを介してカバー内部の空間に配置された配線基板と接続されており、当該配線基板の表面に形成された配線パターンを介して外部出力用リード線に接続されている。

特開２０１２−２３７６１２号公報

特許文献１に開示された液封入式の圧力センサは、カバー内部に配置される圧力検出部を水や湿気から隔離することを意図して、通常カバー内部の空間にウレタン樹脂等の樹脂材が充填、硬化されている。そして、圧力センサのカバー内部に封入された樹脂と配線基板とは、それぞれ材質が異なることから互いの熱膨張係数も異なることとなる。
このような液封入式の圧力センサは、使用される環境によっては、高温の状態から零下等の低温の状態までの温度範囲で繰り返しの温度変化を受ける場合がある。
この場合、配線基板とこれに接触する樹脂の膨張・収縮の度合いが異なるため、金属配線パターンの下面側（配線基板側）と上面側（樹脂との接触側）とで異なる応力が加わることとなり、その結果として、金属配線パターンが配線基板の表面から剥離（リフトオフ）して破損してしまう懸念がある。

そこで、本発明の目的は、寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されたとしても、配線基板に形成された金属配線パターンの剥離を防ぐことができる圧力センサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、を具備するとともに、前記内部空間に樹脂が充填されており、前記中継基板は、複数の基板の間に前記配線層を挟み込んで形成されていることを特徴とする。

また、本発明の圧力センサは、半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、を具備するとともに、前記中継基板は、温度の変化に対して膨張量が小さい材料で形成されていることを特徴とする。

本発明の圧力センサによれば、寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されたとしても、配線基板に形成された金属配線パターンの剥離を防ぐことができる。

本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。 図１に示した中継基板の代表的な一例の構成を示す概略図であって、図２（ａ）は、中継基板の上面図であり、図２（ｂ）は、中継基板の正面図であり、図２（ｃ）は、中継基板の下面図であり、図２（ｄ）は、図２（ｂ）のＤ−Ｄ断面図である。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１による圧力センサの縦断面図である。
図１に示すように、圧力センサ１は、段付の円筒形状のカバー１０を有し、半導体型圧力検出装置６０が搭載されたベース４０、図示されない流体流入管が接続される接続ナット２０を支持する取付部材３０、ベース４０及び取付部材３０によりその外周部が挟持されたダイアフラム５０等より成る圧力検出ユニット２が、カバー１０の大径の開口部１０ｂ側に挿入されて取り付けられる。
皿状のベース４０とダイアフラム５０で区画される受圧空間５２にはオイル等の絶縁性の液状媒質が充填される。ボール９９は、ベース４０に形成された孔（図示せず）を介して受圧空間５２内に液状媒質を充填した後に該孔を封止する為のものであり、ベース４０に溶接等の手段で固着される。

ベース４０の受圧空間５２側の中央部には、半導体型圧力検出装置６０が接着等の適宜の手法により固着される。半導体型圧力検出装置６０は、ガラス製の台座６２とそれに貼付された圧力検出素子（半導体チップ）６４とからなる。圧力検出素子６４は、この例においては８つのボンディングパッド（電極）を備え、そのうちの３つは出力信号用の電源入力パッド、アースパッド及び信号出力パッドであり、残る５つは信号調整用パッドである。
これらの５つの信号調整用パッドは、上記圧力センサ１の製造時に、当該圧力センサ１の特性に応じた出力信号の調整をした後、その調整データを圧力センサ１内に設けられたＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリ内に書き込むためのものである。

半導体型圧力検出装置６０の周囲には、当該ベース４０を貫通する複数本（例えば８本）の端子ピン７０が、ハーメチックシール７４により絶縁封止されて設けられる。
８本の端子ピン７０のうちの１つはアース端子ピンとして機能する。そして、当該アース端子ピンとそれ以外の７本の端子ピンとは、中継基板９０に接続される。この中継基板９０は、３本の出力用端子ピンと３本の外部出力用のリード線９４とを電気的に中継するための配線層（図２の符号９０ｐ参照）を備えている。

半導体型圧力検出装置６０（圧力検出素子６４）に形成されている３つの出力信号用パッド（電源入力パッド、アースパッド及び信号出力パッド）のそれぞれに接続された３本の出力用端子ピン７０（電源入力端子ピン、信号出力端子ピン及びアース端子ピン）は、中継基板９０及びコネクタ９２を介して３本のリード線９４に連結される。そして、リード線９４は、当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた図示されない電気回路に接続される。
なお、中継基板９０に接続される複数本の端子ピン７０は、出力信号を出力する上記３つの出力信号用パッドに接続された３つの出力用端子ピンのみでも良く、またそれらに加えて圧力検出素子６４に形成されている信号調整用パッドに接続された５つの端子ピン７０のうちの少なくとも１つをさらに接続しても良い。このとき、信号調整用パッドに接続された５つの端子ピン７０のうちの少なくとも１つをさらに中継基板９０に接続する場合には、これらの端子ピン７０はコネクタ９２やリード線９４には電気的に接続されない。

このような構成により、中継基板９０は、コネクタ９２を挟んで両側の位置に端子ピン７０との接続点を備える構造となるため、リード線９４に引張力等が加えられた場合であっても、出力用端子ピン７０に横方向の応力が加わることがなく、結果として出力用端子ピン７０とベース４０とを固定するハーメチックシール７４が破損するのを防止できる。

半導体型圧力検出装置６０（圧力検出素子６４）のアースパッドを除く各ボンディングパッドは、アース端子ピンを除く各端子ピン７０とボンディングワイヤ８０でそれぞれ電気的に接続（結線）される。
また、アースパッド及びアース端子ピンは、後述する除電板１００にボンディングワイヤでそれぞれ電気的に接続される。すなわち、アースパッドとアース端子ピンとは、除電板１００を介して電気的に接続される構成となっている。
そして、上述の圧力検出ユニットがカバー１０内に配置された後、カバー１０の大径の開口部１０ｂ側及び小径の開口部１０ａ側（リード線９４が導出される側）からカバー１０の内部に樹脂Ｐが充填、固化され、これによりカバー１０内に圧力検出ユニットが固定される。

接続ナット２０に導入される流体は流体導入室３２内に入り、その圧力をダイアフラム５０で受圧し、受圧空間５２内の媒質を加圧する。
そして、圧力検出素子６４はこの圧力変動を検知して電気信号に変換し、出力用端子ピン７０及びリード線９４を介して電気信号を外部に出力する。

この実施例１にあっては、半導体型圧力検出装置６０を囲むように（半導体型圧力検出装置６０の周囲に）、除電板１００がベース４０上に接着剤等により貼り付けてある。
除電板１００は、外部形状が多角形状の平面形状を有し、内側に半導体型圧力検出装置６０の外周を囲むための窓孔１００ａと、アース端子ピンを挿通する為の孔部（図示せず）を設けてある。
また、除電板１００がベース４０上に貼り付けられた状態で、当該除電板１００に設けられた孔部に挿通されたアース端子ピンの先端部は、除電板１００の上面からやや突出している。そして、除電板１００とアース端子ピンとの間はハンダ付け等の手段により電気的に接続される。

アース端子ピンは、リード線９４を介して当該圧力センサ１が設置された冷凍冷蔵装置や空調装置等の制御盤内に設けられた電気回路のゼロ電位に接続されるものであり、半導体型圧力検出装置６０の周囲に帯電する電位、あるいは受圧空間５２内に充填された液状媒質に帯電する電荷は除電板１００を介して除電され、これにより半導体型圧力検出装置６０の帯電に起因する作動不良が防止される。

図２は、図１に示した中継基板９０の代表的な一例の構成を示す概略図である。
ここで、図２（ａ）は、中継基板９０の上面図であって、図２（ｂ）は、中継基板９０の正面図であり、図２（ｃ）は、中継基板９０の下面図であり、図２（ｄ）は、図２（ｂ）のＤ−Ｄ断面図である。

図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、中継基板９０には、図１に示す端子ピンやコネクタと電気的に接続される複数のビア電極（実施例１においては、８つのビア電極を含む場合を例示している）が形成されている。
これら複数のビア電極のうち、長手方向の両端部側に位置する５つのビア電極９１ａ〜９１ｅは、それぞれ圧力検出ユニットから突出する端子ピンが挿通され、ハンダ付け等により電気的に接続される。

詳しくは、ビア電極９１ａ〜９１ｃには、それぞれ３本の出力用端子ピン７０（電源入力端子ピン、信号出力端子ピン及びアース端子ピン）がハンダ付けされ、ビア電極９１ｄ、９１ｅには、５つの信号調整用パッドに接続された端子ピン（調整用端子ピン）７０のうちのいずれか２つがハンダ付けされる。
一方、中継基板９０の中央部付近に位置する３つのビア電極９１ｆ〜９１ｈは、それぞれ上記リード線９４を備えたコネクタ９２の端子がハンダ付けされる。

図２（ｂ）に示すように、実施例１における中継基板９０は、例えば、それぞれベーク基板やガラスエポキシ基板等からなる第１の基板９０ａと第２の基板９０ｂとを積層し、互いの接触面を接着剤等で貼り合わせることによって形成されている。
そして、ビア電極９１ａ〜９１ｃとビア電極９１ｆ〜９１ｈとを電気的に接続する配線層（金属配線層）９０ｐが、上記第１の基板９０ａと第２の基板９０ｂとの貼り合わせ部分に配置されるように、中継基板９０は構成されている。要するに、中継基板９０は多層基板であり、該中継基板９０の内部に金属配線層９０ｐが設けられている。

このような構成を採用することにより、配線層が中継基板９０の外表面側に露出することがなく、かつ常に複数の（２つの）基板の貼り合わせ面に密着することとなる。
したがって、寒暖差の大きい繰り返しの温度履歴が負荷されることにより、周囲の樹脂が膨張して中継基板９０に応力が加わったとしても、当該中継基板９０には曲げ応力が発生しにくくなり、金属配線層９０ｐは各基板層（第１の基板９０ａ及び第２の基板９０ｂ）から剥離（リフトオフ）することを防止できる。

＜実施例２＞
上記のとおり、実施例１による圧力センサにおいて、中継基板９０をベーク基板やガラスエポキシ基板等で構成するとともに、配線層を上記中継基板９０の内部に配線することにより、配線層の剥離（リフトオフ）を防止する点を例示した。
これに対して、実施例２による圧力センサにおいては、繰り返しの温度変化による熱履歴を受けた場合であっても、中継基板９０自体の変形を抑制できるように、中継基板９０を温度の変化に対して膨張量が小さい材料で形成する。
このとき、温度の変化に対して膨張量が小さい材料としては、例えば材料の熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下の材料等が例示できる。

上記した熱膨張係数が小さい材料の例として、例えば、アルミナを主成分とする高温同時焼成セラミック（ＨＴＣＣ）基板（熱膨張係数：７ｐｐｍ／℃程度）、又はアルミナにガラス成分を加えた低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板（熱膨張係数：５ｐｐｍ／℃程度）等が挙げられる。
これらの材料を中継基板９０に適用することにより、基板自体の熱による変形を抑制するとともに、配線層を形成する材料との熱膨張係数の差も小さくすることができるため、温度変化に伴う膨張差も小さくすることができ、結果として配線層の剥離（リフトオフ）を抑制することができる。

なお、本発明は上記の各実施例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことができる。
例えば、上記実施例１において、２枚の基板の間に配線層を挟み込む場合を例示したが、３枚以上の基板層を貼り合わせて積層基板を形成するように構成してもよい。
また、２枚の基板を接着剤で貼り合わせる場合を例示したが、基板の材質に応じて、溶接や拡散接合、あるいは常温接合等、貼り合わせ面どうしを接合できる手法であれば、任意の接合技術を適用することができる。

上記実施例２において、中継基板９０に適用する材料としてＨＴＣＣ基板やＬＴＣＣ基板等のセラミック基板を例示したが、上記のとおり、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下の範囲となる材料であれば、セラミック基板以外の材質の基板を用いることも可能である。
さらに、上記実施例１及び実施例２を組み合わせて実施してもよい。すなわち、中継基板９０として、上記の温度の変化に対して膨張量が小さい材料からなる複数の基板層を用い、当該複数の基板層の間に配線層を挟み込むように形成することにより、配線のリフトオフを防止する効果をさらに高めることができる。

１ 圧力センサ １０ カバー
２０ 接続ナット ３０ 取付部材
３２ 流体導入室 ４０ ベース
５０ ダイアフラム ５２ 受圧空間
６０ 半導体型圧力検出装置 ６２ 台座
６４ 圧力検出素子 ７０ 端子ピン
７４ ハーメチックシール ８０ ボンディングワイヤ
９０ 中継基板
９１ａ、９１ｂ、９１ｃ、９１ｄ、９１ｅ、９１ｆ、９１ｇ、９１ｈ ビア電極
９０ｐ 金属配線層 ９２ コネクタ
９４ リード線 １００ 除電板

Claims (4)

1. 半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、
   前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、
   前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、
   を具備し、前記内部空間に樹脂が充填された圧力センサであって、
   前記中継基板は、複数の基板の間に前記配線層を挟み込んで形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記中継基板は、温度の変化に対して膨張量が小さい材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧力センサ。
3. 半導体型圧力検出装置が内蔵されるとともに、前記半導体型圧力検出装置に電気的に接続された複数の出力用端子ピン及び複数の調整用端子ピンを備えた圧力検出ユニットと、
   前記圧力検出ユニットが取り付けられるカバーと、
   前記カバーの内部空間に配置され、前記複数の出力用端子ピンと外部出力用のリード線とを中継する配線層を備えた中継基板と、
   を具備し、前記内部空間に樹脂が充填された圧力センサであって、
   前記中継基板は、温度の変化に対して膨張量が小さい材料で形成されていることを特徴とする圧力センサ。
4. 前記温度の変化に対して膨張量が小さい材料は、熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下の材料であることを特徴とする請求項２又は３記載の圧力センサ。

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