JP2017003511A - センサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】既存のセンサ装置に対して耐環境性の機能を付加したセンサ装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】台座部材１２をエポキシ接着剤１５で接着したメタルベース１３に電極３１を接続し、メタルベース１３をポリイミドが溶け込んでいる電解液３０に浸し、電極３１と電解液３０の中の電極とに電圧を印加して電解液３０の中のポリイミドをメタルベース１３に被着してポリイミド被膜３２を成膜する。これにより、圧力センサセル１０ａは、メタルベース１３の、圧力媒体に晒される面がポリイミドで薄く均一にコーティングされるので、耐腐食性能を向上させることができる。【選択図】図４

Description

本発明はセンサ装置およびその製造方法に関し、特に既存の方法により製造されたセンサ装置に対して耐食性の機能が付加されたセンサ装置およびその製造方法に関する。

自動車においては、環境規制をクリアするため、各種のセンサ装置が用いられており、中には、１ＭＰａ以上の圧力を計測することを目的とした圧力センサ装置がある。このような圧力センサ装置は、圧力媒体を導入するためのメタルベース、導入された圧力を検出する半導体デバイスユニットと、この半導体デバイスユニットを収容する樹脂ケースとを備えたものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

半導体デバイスユニットは、導入された圧力媒体を受圧することにより生じるひずみを検出して電気信号に変換する半導体センサチップと、この半導体センサチップを保持する台座部材とを備え、台座部材は、メタルベースにエポキシ接着剤によって接着されている。半導体センサチップは、樹脂ケースにインサートされた端子部にボンディングワイヤによって配線され、検出された電気信号は、端子部を介して外部に出力される。

ここで、台座部材は、熱膨張係数が小さく耐熱性に優れたガラスでできている。台座部材の中心には、圧力媒体が通る貫通孔が設けられている。台座部材と半導体センサチップとは、静電接合によって気密状態に接合されている。

台座部材は、また、メタルベースに接着されている。メタルベースは、熱膨張係数が台座部材のガラスの熱膨張係数に近い４２アロイと呼ばれる材料を用いている。４２アロイは、ニッケル４２重量％、鉄５７重量％、微量の添加物よりなる合金で、常温付近での熱膨張係数が低く、かつ、ガラスと係数が近いことから、ガラス封着される半導体製品の金属部分によく使われる材料である。メタルベースにこの合金を用いることにより、熱膨張係数差に起因する応力で、半導体デバイスユニットまたはエポキシ接着剤が破損されることを防ぐことができる。

特開２００５−９８９７６号公報

しかしながら、４２アロイは、その材質より、非常に錆び易いという欠点を抱えている。このような欠点に対しては、ニッケルなどでの電気めっき処理が有効であるが、処理費用コストが高く、製品の価格競争力を削ぐ形となっていた。

安価なめっき材質を選択すれば、上記処理費用コストを下げることは可能であるが、半導体デバイスユニットと接着するための、実績のあるエポキシ接着剤との相性が懸念され、製品特性への影響の可能性がある。特に、高圧の圧力媒体が導入される部位で使用される接着剤は、最も考慮されるべきファクタのひとつであり、製品の信頼性を維持する新たな接着剤を開発するのにコストがかかってしまう。

また、安価なめっき材質では、強酸物質が飛来する環境下での耐腐食性能が絶対的に不足しており、ただちに腐食することが懸念されるため、新用途アプリケーション展開の妨げにもなっていた。

さらに、４２アロイの錆び易いという性質は、圧力媒体に依存するので、必ずしも、すべてのセンサ装置に対策が必要とされるものではない。このため、耐腐食性能が要求される環境下に適用されるセンサ装置に対してのみ、できるだけコストをかけることなく、耐環境性能を向上させたいという要請がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、既存の方法により製造されたセンサ装置に対して耐環境性の機能が付加されたセンサ装置およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明では上記の課題を解決するために、センサチップと、中央に第１の貫通孔を有し、一方の端面に前記センサチップが接合された台座部材と、第２の貫通孔を有するメタルベースと、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とが連通するように前記台座部材の他方の端面を前記メタルベースに接着するエポキシ接着剤と、前記センサチップおよび前記台座部材を収容するように前記メタルベースに接合された樹脂ケースと、少なくとも前記メタルベースの前記第２の貫通孔の内壁と前記台座部材が接着されている面とは反対側の面とに被着されたポリイミド被膜と、を備えたセンサ装置が提供される。

本発明では、また、台座部材をエポキシ接着剤で接着したメタルベースに第１の電極を接続し、前記メタルベースをポリイミドが溶け込んでいる電解液に浸し、前記第１の電極と前記電解液の中の第２の電極とに電圧を印加し、前記電解液の中の前記ポリイミドを前記メタルベースに被着させてポリイミド被膜を成膜する、ことからなるセンサ装置の製造方法が提供される。

上記構成のセンサ装置およびその製造方法は、台座部材をエポキシ接着剤でメタルベースに接着した構成を変更することなく、メタルベースのみにポリイミド被膜を成膜するため、センサ装置の機能を維持しながら耐環境性の機能のみを付加できるという利点がある。

既存の圧力センサセルを示す平面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。 第１の実施の形態に係る圧力センサセルの製造方法を示す説明図である。 第１の実施の形態に係る圧力センサセルを示す断面図である。 第１の実施の形態に係る圧力センサセルが適用された圧力センサをメタルベースの長手方向に切断したときの断面図である。 第１の実施の形態に係る圧力センサセルが適用された圧力センサをメタルベースの短手方向に切断したときの断面図である。 第２の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図である。 図８のＣ−Ｃ矢視断面図である。 第３の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図である。 図１０のＤ−Ｄ矢視断面図である。 第４の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図である。 図１２のＥ−Ｅ矢視断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、圧力センサセルに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の各実施の形態の説明において、他の実施の形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。また、各実施の形態は、矛盾のない範囲で複数の実施の形態を組み合わせて実施することができる。

図１は既存の圧力センサセルを示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視断面図、図３は図１のＢ−Ｂ矢視断面図である。
図１ないし図３に示すように、圧力センサセル１０は、圧力センサチップ１１、台座部材１２、メタルベース１３および樹脂ケース１４を備えている。圧力センサチップ１１および台座部材１２は、半導体デバイスユニットを構成している。この半導体デバイスユニットの台座部材１２は、エポキシ接着剤１５によってメタルベース１３に接着されている。

圧力センサチップ１１は、たとえば、半導体シリコンの第１の面（図１では下面）の中央を凹設することにより厚さを薄くしたダイヤフラム１６を有し、このダイヤフラム１６が測定しようとする圧力媒体の圧力を受ける受圧部を構成している。半導体シリコンの第２の面（図１では上面）、すなわち、ダイヤフラム１６の受圧面とは反対側の面には、圧力媒体の印加によるダイヤフラム１６の変位を検出するための回路が形成されている。

台座部材１２は、たとえば、パイレックス（登録商標）ガラスやテンパックスガラスなどのガラス材料で形成されており、中心には、圧力媒体が通る貫通孔１７が設けられている。台座部材１２は、ダイヤフラム１６が貫通孔１７に臨むように位置合わせし、静電接合によって圧力センサチップ１１と接合されている。この静電接合により、圧力センサチップ１１と台座部材１２とは、それらの間を高い気密性を保った状態で接合され、気密性の高い構造を実現している。

台座部材１２の圧力導入手段であるメタルベース１３は、その中心に、圧力媒体が通る貫通孔１８が設けられている。台座部材１２とメタルベース１３は、それらの貫通孔１７，１８の中心が一致するように位置合わせされて、エポキシ接着剤１５により接着される。メタルベース１３は、たとえば、４２アロイで形成されており、樹脂ケース１４の相対する一対の辺から一部が突出した大きさを有している。

樹脂ケース１４は、図示の例では、平面形状が矩形状を有し、その中央の開口部１９に、圧力センサチップ１１および台座部材１２を収容するようにメタルベース１３に接合されている。樹脂ケース１４は、その相対する一対の辺を貫通するように信号端子２０が４本ずつ埋設されている。信号端子２０は、樹脂ケース１４の内部に露出している内部露出個所と、樹脂ケース１４の外部に露出している外部露出個所とを有している。信号端子２０の内部露出個所は、圧力センサチップ１１とボンディングワイヤ２１により電気的に接続されている。

樹脂ケース１４は、また、圧力センサチップ１１、ボンディングワイヤ２１および信号端子２０の内部露出個所を覆うようにゲル状の封止材料２２によって充填されており、ボンディングワイヤ２１およびそのボンディング部分を保護している。

以上の圧力センサセル１０は、圧力センサチップ１１が接合された台座部材１２をメタルベース１３にエポキシ接着剤１５に接着し、次に、樹脂ケース１４をメタルベース１３に接着し、ボンディングワイヤに２１による配線を行って構成される。その後、樹脂ケース１４に封止材料２２を充填して、圧力センサセル１０が完成される。この圧力センサセル１０は、耐腐食性能が要求されない通常の環境下で使用される圧力センサとして使用される。

上述した構成の圧力センサセル１０では、メタルベース１３の貫通孔１８を介して圧力媒体が導入され、圧力センサチップ１１のダイヤフラム１６が圧力を受けると、ダイヤフラム１６が圧力媒体の導入方向に変位する。そのダイヤフラム１６の変位は、ダイヤフラム１６の受圧面とは反対側の圧力センサチップ１１の表面に形成された電気回路によって検出され、その圧力検出信号は、ボンディングワイヤ２１を介して信号端子２０に出力される。次に、以上のような圧力センサチップ１１が耐腐食性能を獲得できる方法について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図４は第１の実施の形態に係る圧力センサセルの製造方法を示す説明図、図５は第１の実施の形態に係る圧力センサセルを示す断面図である。

第１の実施の形態に係る圧力センサセル１０ａは、上記の圧力センサセル１０に対し、電気めっき処理と同じ原理を用いて、メタルベース１３の露出している表面に耐食コーティングを施すようにしている。すなわち、半導体デバイスユニットがエポキシ接着剤１５でメタルベース１３に接着された圧力センサセル１０を電解液３０に浸し、メタルベース１３の上部露出面に電極３１を電気的に接続し、電極３１と電解液３０の中に設けた電極とに直流電圧を印加する。電解液３０には、ポリイミドが溶け込んでおり、メタルベース１３に接続された電極３１と電解液３０の中の電極とに電圧を印加することで、電解液３０の中のポリイミドがメタルベース１３に引き寄せられる。これにより、電解液３０と接触され、同電位となっているメタルベース１３の表面、すなわち、メタルベース１３の貫通孔１８の内壁と、台座部材１２が接着され、樹脂ケース１４が接合された面を除く外周面とにポリイミド被膜３２が成膜される。なお、メタルベース１３の電解液３０への浸し方によっては、メタルベース１３の樹脂ケース１４が接合された面であって樹脂ケース１４よりも外側の面にもポリイミド被膜３２が成膜されることがある。ただし、そのような面は、圧力媒体に晒される面ではないので、その面に成膜されるポリイミド被膜３２は、特に必要とされるものではない。なお、図４および図５では、ポリイミド被膜３２は、厚さを誇張して示してあるが、圧力媒体の伝達のためにメタルベース１３にあけられた貫通孔１８が塞がれることのないように、薄く均一に形成されている。しかも、ポリイミド被膜３２は、電解液３０に浸されているメタルベース１３のみに被着され、電解液３０が毛細管現象により台座部材１２の貫通孔１７まで浸入したとしても、非導電性のエポキシ接着剤１５および台座部材１２に被着されることはない。

メタルベース１３の表面に所定の厚みのポリイミド被膜３２が成膜されると、メタルベース１３から電極３１が取り外され、圧力センサセル１０ａは、電解液３０から引き上げられる。その後、圧力センサセル１０ａは、必要に応じて、洗浄および乾燥が施されて製品となる。

このポリイミド被膜３２は、めっき以上の耐食性を有し、また、液状物質なので、適用が容易であり、かつ、材料コストも安価である。しかも、このポリイミド被膜３２の成膜処理は、圧力センサセル１０を組み立てた後に実施される後処理であるため、それ以前の製造工程をそのまま利用することができる。しかも、メタルベース１３のみにポリイミド被膜３２を成膜するため、圧力センサセル１０ａは、その機能を維持しながら耐環境性の機能のみを安価に付加することができる。

図６は第１の実施の形態に係る圧力センサセルが適用された圧力センサをメタルベースの長手方向に切断したときの断面図であり、図７は第１の実施の形態に係る圧力センサセルが適用された圧力センサをメタルベースの短手方向に切断したときの断面図である。

図示の圧力センサ４０は、第１の実施の形態に係る圧力センサセル１０ａをコネクタ部材４１と継手部材４２とで上下から挟み込み、継手部材４２の開口縁部をかしめることにより、圧力センサセル１０ａとコネクタ部材４１と継手部材４２とを一体化している。

コネクタ部材４１は、圧力センサセル１０ａを収容するハウジング部４３と、圧力センサ４０の出力を外部へ取り出すためのソケット部４４とが一体成形された構成となっている。ハウジング部４３とソケット部４４との間には、かしめられた継手部材４２の開口縁部が係止される段差部４５が形成されている。ハウジング部４３とソケット部４４との間の仕切り部分には、信号端子４６が埋設されている。信号端子４６の一端は、ハウジング部４３内に露出し、信号端子４６の他端は、ソケット部４４内に露出している。ハウジング部４３内に露出する信号端子４６の基端部分は、圧力センサセル１０ａの信号端子２０にレーザー溶接により電気的に接続されている。

ハウジング部４３とソケット部４４との間の仕切り部分には、貫通孔４７が設けられている。この貫通孔４７は、半導体デバイスユニットを納めた樹脂ケース１４の開口部１９の空間が密閉状態とならないようにするために設けられている。これにより、コネクタ部材４１に圧力センサセル１０ａを取り付けた際に上記の仕切り部分との間に形成される空間が大気開放されるので、その空間の気体が温度変化による膨張収縮で圧力センサ４０の特性が変動するのを防止している。

継手部材４２は、コネクタ部材４１のソケット部４４が接合される側とは反対側に圧力導入部４８を有し、この圧力導入部４８は、圧力媒体が封入された筐体４９に接合されている。これにより、筐体４９内の圧力媒体は、継手部材４２の圧力導入部４８、メタルベース１３の貫通孔１８および台座部材１２の貫通孔１７を通って圧力センサチップ１１のダイヤフラム１６に導かれる。

また、圧力導入部４８の内側端面には、凹部５０が形成され、その凹部５０には、Ｏリング５１が配置されて、メタルベース１３と圧力導入部４８との間を気密に封止している。このＯリング５１により、圧力導入部４８を通ってメタルベース１３の貫通孔１８へ導かれた圧力媒体が、メタルベース１３の貫通孔１８以外の部分に流れ込むのを防いでいる。

また、コネクタ部材４１のハウジング部４３と継手部材４２との間にも、その間を封止するＯリング５２が設けられている。このＯリング５２により、圧力媒体がＯリング５１を介して漏れた場合に圧力媒体が外部に漏れ出すのを防いでいる。
＜第２の実施の形態＞
図８は第２の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図、図９は図８のＣ−Ｃ矢視断面図である。

第２の実施の形態に係る圧力センサセル１０ｂは、第１の実施の形態に係る圧力センサセル１０ａと比較してメタルベース１３の外周が樹脂ケース１４に覆われて一体化されている点で相違している。このため、圧力センサセル１０ｂを電解液３０に浸してメタルベース１３にポリイミド被膜３２を形成させるときに、メタルベース１３は、ポリイミド被膜３２を被着すべき部分以外に露出されている部分がない。そこで、この圧力センサセル１０ｂでは、半導体デバイスユニットを収容する樹脂ケース１４の開口部１９からメタルベース１３にアクセスすることができるように、樹脂ケース１４に電極導入窓６０が形成されている。

メタルベース１３の露出面にポリイミド被膜３２を形成するときには、電極導入窓６０に電極３１を挿入してメタルベース１３に電気的に接触させた状態でメタルベース１３を電解液３０に浸し、電極３１に電圧を印加する。

なお、この圧力センサセル１０ｂでは、電極導入窓６０を半導体デバイスユニットを収容する樹脂ケース１４の開口部１９内に設けてあるので、メタルベース１３にポリイミド被膜３２を形成させる工程は、開口部１９に封止材料２２を封入する前になる。
＜第３の実施の形態＞
図１０は第３の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図、図１１は図１０のＤ−Ｄ矢視断面図である。

第３の実施の形態に係る圧力センサセル１０ｃは、メタルベース１３の外周が樹脂ケース１４に覆われて一体化されているが、第２の実施の形態に係る圧力センサセル１０ｂと比較して、電極導入窓６０の設置場所を変更している。すなわち、この圧力センサセル１０ｃは、樹脂ケース１４の信号端子２０が出ていない側にそれぞれ突出部６１が突出している。電極導入窓６０は、その突出部６１にメタルベース１３までアクセスすることができるように形成されている。

メタルベース１３の露出面にポリイミド被膜３２を形成するときには、電極導入窓６０に電極３１を挿入してメタルベース１３に電気的に接触させた状態でメタルベース１３を電解液３０に浸し、電極３１に電圧を印加する。この圧力センサセル１０ｃでは、樹脂ケース１４の突出部６１に電極導入窓６０を設けたので、ポリイミド被膜３２の形成工程は、半導体デバイスユニットをメタルベース１３に接着後なら、いつでもよい。
＜第４の実施の形態＞
図１２は第４の実施の形態に係る圧力センサセルを示す平面図、図１３は図１２のＥ−Ｅ矢視断面図である。

第４の実施の形態に係る圧力センサセル１０ｄは、信号端子２０のひとつである信号端子６２を電極３１が接続される接続部として利用している。この信号端子６２は、たとえば、樹脂ケース１４をインサート成形する前に、あらかじめ一端をメタルベース１３に接合しておくことでメタルベース１３と電気的に接続されている。したがって、メタルベース１３にポリイミド被膜３２を形成するときには、電極３１は、信号端子６２に接続することで、メタルベース１３に電気的に接続される。

電極３１が接続される信号端子６２は、電極３１を接続するための専用の端子としてもよく、または、圧力センサチップ１１の表面に形成された電気回路のグランド端子と共用してもよい。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ 圧力センサセル
１１ 圧力センサチップ
１２ 台座部材
１３ メタルベース
１４ 樹脂ケース
１５ エポキシ接着剤
１６ ダイヤフラム
１７，１８ 貫通孔
１９ 開口部
２０ 信号端子
２１ ボンディングワイヤ
２２ 封止材料
３０ 電解液
３１ 電極
３２ ポリイミド被膜
４０ 圧力センサ
４１ コネクタ部材
４２ 継手部材
４３ ハウジング部
４４ ソケット部
４５ 段差部
４６ 信号端子
４７ 貫通孔
４８ 圧力導入部
４９ 筐体
５０ 凹部
５１，５２ Ｏリング
６０ 電極導入窓
６１ 突出部
６２ 信号端子

Claims (7)

1. センサチップと、
   中央に第１の貫通孔を有し、一方の端面に前記センサチップが接合された台座部材と、
   第２の貫通孔を有するメタルベースと、
   前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔とが連通するように前記台座部材の他方の端面を前記メタルベースに接着するエポキシ接着剤と、
   前記センサチップおよび前記台座部材を収容するように前記メタルベースに接合された樹脂ケースと、
   少なくとも前記メタルベースの前記第２の貫通孔の内壁と前記台座部材が接着されている面とは反対側の面とに被着されたポリイミド被膜と、
   を備えたセンサ装置。
2. 前記メタルベースは、前記樹脂ケースよりも部分的に外側に突出され、かつ、突出された部分の前記樹脂ケースが接合された面が露出している請求項１記載のセンサ装置。
3. 前記メタルベースの外周が前記樹脂ケースによって覆われている請求項１記載のセンサ装置。
4. 前記樹脂ケースは、前記センサチップおよび前記台座部材を収容する開口部から前記メタルベースにアクセスできる電極導入窓を有している請求項３記載のセンサ装置。
5. 前記樹脂ケースは、前記メタルベースの外周を覆っている突出部に前記メタルベースにアクセスできる電極導入窓を有している請求項３記載のセンサ装置。
6. 前記樹脂ケースは、前記センサチップと接続される信号端子を有し、前記信号端子の１つが前記メタルベースに電気的に接続されている請求項３記載のセンサ装置。
7. 台座部材をエポキシ接着剤で接着したメタルベースに第１の電極を接続し、
   前記メタルベースをポリイミドが溶け込んでいる電解液に浸し、
   前記第１の電極と前記電解液の中の第２の電極とに電圧を印加し、前記電解液の中の前記ポリイミドを前記メタルベースに被着させてポリイミド被膜を成膜する、
   ことからなるセンサ装置の製造方法。

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