JP2017142169A - 圧力センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化の容易な圧力センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧力センサ素子１１と、信号処理ＩＣ１２と、リードフレーム１３と、防水樹脂１４と、パッケージ樹脂１５とを少なくとも含む圧力センサ１０であって、防水樹脂１４は、リードフレーム１３に支持された圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を覆い、パッケージ樹脂１５は、圧力媒体の導入孔１６と、導入孔１６よりも大きい径を有する内部空間１７とを有し、内部空間１７に、圧力センサ素子１１、信号処理ＩＣ１２及び防水樹脂１４を有し、パッケージ樹脂１５は、少なくとも導入孔１６及び内部空間１７を囲む部分に継ぎ目を有することなく、一体に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ及びその製造方法に関する。

従来、圧力センサとして、リードフレーム上に圧力センサ素子及び信号処理ＩＣを設けた構成が知られている。圧力センサ素子及び信号処理ＩＣを収容するパッケージの構成としては、セラミック基板上にリードフレームを設け、金属製の外壁を含む蓋をする構成や、パッケージ樹脂の一体成形による構成（例えば、特許文献１、２参照）が知られている。

圧力センサ素子の防水機能は、パッケージに防水樹脂を充填し、圧力センサ素子を覆う手法が知られている。特許文献１，２に記載された圧力センサの場合、一体成形したパッケージ樹脂に圧力センサ素子を設けた後、圧力媒体からパッケージ樹脂内に防水樹脂を充填するため、圧力媒体の導入孔の径は、圧力センサ素子の径よりも大きい。

特許文献３には、圧力センサ素子を収容する内部空間の径に対して圧力媒体の導入孔の径が小さいパッケージを有する圧力センサが記載されている。特許文献３の場合、パッケージは、圧力センサ素子を収容する底部と、圧力媒体の導入孔を有する上部との二体構成であり、両者を接着剤等で接合した構成である。

特開２０１５−６４２９９号公報 特開２０１５−１６９４８２号公報 特開２０１５−１４３６３４号公報

圧力センサが小型化されるに際し、金属製パッケージの場合は、小型のパッケージの加工の難しさ及び加工コストの増加が問題になる。また、圧力媒体の導入孔が小径化した場合に、防水樹脂の充填プロセス上の問題が懸念される。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型化の容易な圧力センサ及びその製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、圧力センサ素子と、信号処理ＩＣと、リードフレームと、防水樹脂と、パッケージ樹脂とを少なくとも含む圧力センサであって、前記防水樹脂は、前記リードフレームに支持された前記圧力センサ素子及び前記信号処理ＩＣを覆い、前記パッケージ樹脂は、圧力媒体の導入孔と、前記導入孔よりも大きい径を有する内部空間とを有し、前記内部空間に、前記圧力センサ素子、前記信号処理ＩＣ及び前記防水樹脂を有し、前記パッケージ樹脂は、少なくとも前記導入孔及び前記内部空間を囲む部分に継ぎ目を有することなく、一体に形成されていることを特徴とする圧力センサを提供する。

前記圧力センサ素子は、前記信号処理ＩＣの上部に積層されていることが好ましい。
前記パッケージ樹脂は、端部にＲが４５μｍ以下の丸みを有することが好ましい。
前記パッケージ樹脂の前記内部空間の一部は、前記防水樹脂の形状を反映していることが好ましい。

前記課題を解決するため、本発明は、圧力センサ素子と、信号処理ＩＣと、リードフレームと、防水樹脂と、パッケージ樹脂とを少なくとも含む圧力センサの製造方法であって、前記リードフレームに支持された前記圧力センサ素子及び前記信号処理ＩＣを覆うように、前記防水樹脂を形成した後、圧力媒体の導入孔と、前記導入孔よりも大きい径を有する内部空間とを有する前記パッケージ樹脂を形成して、前記内部空間に、前記圧力センサ素子、前記信号処理ＩＣ及び前記防水樹脂を配置することを特徴とする圧力センサの製造方法を提供する。

前記パッケージ樹脂は、少なくとも前記導入孔及び前記内部空間を囲む部分に継ぎ目を有することなく、一体に形成されることが好ましい。

本発明によれば、圧力媒体の導入孔を小径化することができること、圧力媒体の導入孔を圧力センサ素子の径よりも大きくする必要がないこと、パッケージ樹脂が一体に形成されているので、接合プロセスを省略できること等により、圧力センサの小型化を容易にすることができる。
さらに本発明の製造方法によれば、圧力センサ素子の周囲にパッケージ樹脂を設ける前に防水樹脂を施すため、防水樹脂の良否確認が容易になり、防水性の向上も期待できる。

本発明の圧力センサの第１実施形態を例示する斜視断面図である。 本発明の圧力センサの第１実施形態を例示する平面図である。 本発明の圧力センサの第２実施形態を例示する斜視断面図である。

以下、好適な実施形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。図１及び図２に第１実施形態の圧力センサ１０を示し、図３に第２実施形態の圧力センサ２０を示す。図１及び図３の斜視断面図は、中心軸に沿った仮想上の切断面により圧力センサ１０，２０を切断した形状を、若干上部が見えるように傾斜した様子を示している。

本実施形態の圧力センサ１０，２０は、圧力センサ素子１１と、信号処理ＩＣ１２と、リードフレーム１３と、防水樹脂１４と、パッケージ樹脂１５とを少なくとも含む。

圧力センサ素子１１は、例えばダイアフラム等の感圧部（圧力感知部）を有するチップ状の半導体素子である。この種の圧力センサ素子１１（ピエゾ抵抗型）の場合、ダイアフラムの内側には、気密に密閉された圧力基準室が形成されている。ダイアフラムは、素子の外側から圧力を受けると、内側の圧力基準室に向けて変形可能である。ダイアフラムの周縁部には、ピエゾ抵抗効果を有する材料から構成された歪みゲージが形成されている。ダイアフラムに加わる圧力に応じて歪みゲージの抵抗値が変化し、その変化量が電圧信号として圧力センサ素子１１から出力される。

信号処理ＩＣ１２は、公知のＣＭＯＳプロセス等により作製される半導体集積回路である。信号処理ＩＣ１２は、圧力センサ素子１１から受信した信号を処理して、外部に出力する。信号処理ＩＣ１２が有する信号処理機能としては、信号の増幅、Ａ／Ｄ変換、温度特性等の補正などの１又は２以上が挙げられる。

圧力センサ素子１１と信号処理ＩＣ１２との間は、ボンディングワイヤ２１等の接続配線により電気的に接続されている。圧力センサ素子１１と信号処理ＩＣ１２との間に、別の機能を備えたＩＣや回路基板等が介在していてもよい。

リードフレーム１３は、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を支持するフレームであり、圧力センサ１０，２０を外部の配線基板等に実装するためのリードを含む。リードフレーム１３の全体が金属等の導体から構成されてもよい。リードの部分が金属等の導体から構成されて、フレームの部分がセラミックス等の絶縁体から構成されてもよい。リードを構成する導体としては、銅、鉄、アルミニウム、金、銀、錫、合金等の金属が挙げられる。リードは、２種以上の導体を積層等により複合した構成でもよい。

信号処理ＩＣ１２とリードフレーム１３（詳しくはリード）との間は、ボンディングワイヤ２２等の接続配線により電気的に接続されている。信号処理ＩＣの出力信号は、リードフレーム１３を介して圧力センサ１０，２０の外部に出力される。

図１の圧力センサ１０の場合、リードフレーム１３の上に信号処理ＩＣ１２が固定され、さらに信号処理ＩＣ１２の上に圧力センサ素子１１が固定されている。この場合、圧力センサ素子１１が信号処理ＩＣ１２の上部に積層されているので、圧力センサ素子１１の感圧部を含む面（基準平面）に沿った面積を抑制し、小型化に寄与することができる。図３の圧力センサ２０の場合、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２がそれぞれ直にリードフレーム１３に固定されるので、より確実に接合することができる。リードフレーム１３は、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２が搭載される搭載部１３ａの周囲に、外部との電気的接続に使用されるリード部１３ｂを有する。リード部１３ｂは、パッケージ樹脂１５の外側に露出される端子部を有する。

リードフレーム１３に対して圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を固定（接合）する手段としては、例えば接着樹脂等の接着剤が挙げられる。信号処理ＩＣ１２から圧力センサ素子１１へ伝わる不要な応力を緩和するために、ヤング率が数ＭＰａ程度、厚さが３０μｍ程度の、軟質で厚い接着樹脂が望ましい。

防水樹脂１４は、リードフレーム１３上において、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を覆う防水層である。さらに防水樹脂１４が、ボンディングワイヤ２１，２２等の接続配線の一部又は全部を覆ってもよい。防水樹脂１４の下部がリードフレーム１３（例えば搭載部１３ａ）に対して接合することが好ましい。図示した例では、リード部１３ｂが防水樹脂１４に覆われていないが、リード部１３ｂの一部（例えばボンディングワイヤ２２が接続される箇所）が防水樹脂１４に覆われてもよい。

防水樹脂１４としては、電気絶縁性、防水性、耐薬品性を備えた低ヤング率のゲル状樹脂が好ましい。防水樹脂１４の具体例としては、例えば、シリコーン樹脂、フッ素系樹脂等が挙げられる。外部から侵入した光によって圧力センサ素子１１の特性が変化するのを防止するために、防水樹脂１４が遮光性を備えることが好ましい。防水樹脂１４は１種類の樹脂で形成されてもよく、２種類以上の樹脂から形成されていても良い。

防水樹脂１４は、圧力媒体に対して直に接触し、圧力媒体の圧力を受ける受圧面を構成する。防水樹脂１４の受圧面に加わる圧力は、防水樹脂１４を介して圧力センサ素子１１の感圧部に伝達される。圧力媒体としては、水、油状物、溶液、薬液、液体、気体等の流体が挙げられる。

パッケージ樹脂１５は、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を収容するパッケージである。パッケージ樹脂１５は、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２が配置される内部空間１７と、内部空間１７に対して圧力媒体を導入可能に開口した導入孔１６とを有する。防水樹脂１４は、少なくとも圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を覆う部分が内部空間１７に配置される。防水樹脂１４の一部をパッケージ樹脂１５の外側に露出させることも可能である。

内部空間１７は、導入孔１６よりも大きい径を有する。導入孔１６は、防水樹脂１４より小さい径を有することが好ましく、さらに、圧力センサ素子１１より小さい径を有することができる。ここで、径とは、圧力センサ素子１１の感圧部を含む面（基準平面）に沿った最大の距離である。例えば、円形の径は直径に相当し、正方形の径は対角線の長さに相当する。

圧力センサ素子１１、防水樹脂１４、導入孔１６、内部空間１７等の平面形状（基準平面に沿った形状）は、円形、正方形、長方形等に限らず、多角形、楕円形など特に限定されない。図２の例では、防水樹脂１４及び導入孔１６の平面形状は円形であり、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２の平面形状は四角形である。内部空間１７の平面形状は、防水樹脂１４の平面形状と同一であってもよい。パッケージ樹脂１５の内部空間１７の一部は、防水樹脂１４の形状を反映していることが好ましい。パッケージ樹脂１５の内部空間１７を囲む壁面と防水樹脂１４との間が隙間なく接していることにより、圧力媒体が隙間に入らず、防水樹脂１４の上面（導入孔１６側の表面）に対する圧力が所定の表面積に作用するので、精度を向上することができる。

パッケージ樹脂１５は、少なくとも導入孔１６及び内部空間１７を囲む部分（内面）に継ぎ目を有することなく、一体に形成されていることが好ましい。パッケージ樹脂１５が継ぎ目なしで一体に形成されていることにより、圧力センサ１０，２０の小型化に応じてパッケージ樹脂１５が小型化される場合であっても、パッケージ樹脂１５を２以上に分割して各部分の成形及び接合をする必要がなく、プロセス上の取り扱いが容易になる。また、機械的に耐久性を向上することができる。パッケージ樹脂１５の寸法は、特に限定されないが、パッケージ樹脂１５の径として４ｍｍ程度又はそれ以下、パッケージ樹脂１５の高さ（基準平面に垂直な方向の寸法）として１．５〜３ｍｍ程度、導入孔１６の径として１ｍｍ程度又はそれ以下が挙げられる。

導入孔１６は、圧力センサ素子１１に対して一定の位置関係にあることが好ましい。例えば、基準平面に沿った導入孔１６及び内部空間１７の中心が、圧力センサ素子１１の感圧部の中心と整合する構成とすることができる。基準平面に沿った各部の中心位置が異なる場合も、位置関係に応じて、圧力センサ素子１１が受ける圧力の値から防水樹脂１４が受ける圧力の値に換算できるように信号処理を行うことができる。

パッケージ樹脂１５を構成する材料としては、エポキシ樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ樹脂）、ポリフタルアミド樹脂（ＰＰＡ樹脂）などの樹脂が挙げられる。樹脂には、適宜の添加剤、フィラー等を添加することが可能である。パッケージ樹脂１５は、一体に形成された成形物であることにより、複数部材を接合して形成した場合に比べて、強度、気密性、耐圧性に優れている。リードフレーム１３の一部がパッケージ樹脂１５に埋め込まれるようにインサート成形することにより、リードフレーム１３とパッケージ樹脂１５との接合強度を向上することができる。

パッケージ樹脂１５の外部の形状は、マザーボード等の配線基板への搭載や、圧力媒体の導入孔１６に至る周囲の構成等を考慮して、適宜の形状にすることができる。パッケージ樹脂１５は、パッケージ樹脂１５に対する応力を緩和するため、端部にＲが４５μｍ以下の丸み（Ｒ≦４５μｍ）を有することが好ましい。パッケージ樹脂１５の成形時にバリが生じた場合は、バリを除去することが好ましい。パッケージ樹脂１５の外面には、他の部材を組み合わせることも可能である。例えば、導入孔１６に圧力媒体が通じるように、圧力媒体の経路を設けてもよい。

また、図１及び図３に示すように、パッケージ樹脂１５の下部に比べて、導入孔１６が開口した上部の径が小さいことにより、上下の間の隅部１８又はその付近にＯリング（図示せず）を設けて、導入孔１６に通じる圧力媒体の経路から圧力媒体が外側に漏れないように気密又は液密を保持することができる。Ｏリングの位置は、パッケージ樹脂１５の上部（小径部）の側面でもよく、パッケージ樹脂１５の下部（大径部）の上面でもよい。圧力媒体の漏れ防止手段は、Ｏリングに限らず、ガスケット、パッキン、接着剤等のシーリング材を採用することもできる。

次に、圧力センサ１０，２０を製造する手順（製造方法）について説明する。
まず、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を、リードフレーム１３に搭載する。図１の例では、リードフレーム１３の上に信号処理ＩＣ１２を搭載した後、信号処理ＩＣ１２の上に圧力センサ素子１１を積層する。図２の例では、リードフレーム１３の上に、任意の順序で圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を搭載する。上述したように固定手段は特に限定されないが、例えば接着樹脂等を用いて、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２をリードフレーム１３に固定することができる。さらにボンディングワイヤ２１，２２等の接続配線を用いて、圧力センサ素子１１、信号処理ＩＣ１２、リード部１３ｂの間の電気的接続を行う。

続いて、リードフレーム１３に支持された圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２を覆うように、防水樹脂１４を形成する。防水樹脂１４は、ゲル状、液状などである。防水樹脂１４の下面は、リードフレーム１３、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２に接触するが、防水樹脂１４の上面は、他の物に接触していないため、例えばリードフレーム１３の搭載部１３ａの周辺部で防水樹脂１４が薄く、搭載部１３ａの中央部で防水樹脂１４が厚くなり、上に凸の形状となる。ボンディングワイヤ２１，２２等の接続配線の一部又は全部を防水樹脂１４で覆って保護することもできる。圧力センサ素子１１の感圧部の中心における防水樹脂１４の厚さとしては、例えば５０μｍ〜１０００μｍが挙げられる。液状樹脂を塗布又は滴下した後、加熱処理により樹脂を硬化させて防水樹脂１４としてもよい。

続いて、モールド、インサート等の成形手法により、リードフレーム１３、圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２の周囲に、パッケージ樹脂１５を形成する。ボンディングワイヤ２１，２２等の接続配線の一部をパッケージ樹脂１５で覆って保護することもできる。パッケージ樹脂１５は、少なくとも導入孔１６及び内部空間１７を囲む部分（内壁面）に継ぎ目を有することなく、一体に形成することができる。

パッケージ樹脂１５に導入孔１６を形成する方法としては、導入孔１６の位置に樹脂が成形されないように、防水樹脂１４の表面に接する金型を設けることが挙げられる。パッケージ樹脂１５形成する方法として、ディスペンサー、インクジェット、３Ｄプリンター等により樹脂を所望の位置に供給又は塗布することも可能である。パッケージ樹脂１５の内部空間１７は、樹脂が防水樹脂１４の周囲を囲むことにより形成される。導入孔１６を形成する金型の径を、防水樹脂１４の径よりも小さくすることにより、小さい径を有する内部空間１７を形成することができる。

本実施形態の製造方法によれば、導入孔１６を通して防水樹脂１４を内部空間１７に供給する場合と比べて、パッケージ樹脂１５のサイズ、導入孔１６の径、防水樹脂１４の粘度等に関わらず、容易に防水樹脂１４を圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２に施すことができる。また、圧力センサ素子１１をパッケージ樹脂１５に収容する前に防水樹脂１４が形成されるため、防水樹脂１４の良否確認が容易になる。さらに、リードフレーム１３上の圧力センサ素子１１及び信号処理ＩＣ１２に防水樹脂１４を直接塗布して形成することができるため、防水性の向上も期待できる。

以上、本発明を好適な実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

本発明の圧力センサは、防水機能が求められる各種装置、例えば腕時計、携帯電話などの電気電子機器に搭載して利用することができる。また、水深計、高度計等のように、周囲の水圧又は気圧に基づいて、圧力以外の物理量を計測する機器に利用することもできる。

１０，２０…圧力センサ、１１…圧力センサ素子、１２…信号処理ＩＣ、１３…リードフレーム、１４…防水樹脂、１５…パッケージ樹脂、１６…導入孔、１７…内部空間、１８…隅部、２１，２２…ボンディングワイヤ。

Claims (6)

1. 圧力センサ素子と、信号処理ＩＣと、リードフレームと、防水樹脂と、パッケージ樹脂とを少なくとも含む圧力センサであって、
   前記防水樹脂は、前記リードフレームに支持された前記圧力センサ素子及び前記信号処理ＩＣを覆い、
   前記パッケージ樹脂は、圧力媒体の導入孔と、前記導入孔よりも大きい径を有する内部空間とを有し、前記内部空間に、前記圧力センサ素子、前記信号処理ＩＣ及び前記防水樹脂を有し、前記パッケージ樹脂は、少なくとも前記導入孔及び前記内部空間を囲む部分に継ぎ目を有することなく、一体に形成されていることを特徴とする圧力センサ。
2. 前記圧力センサ素子は、前記信号処理ＩＣの上部に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記パッケージ樹脂は、端部にＲが４５μｍ以下の丸みを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記パッケージ樹脂の前記内部空間の一部は、前記防水樹脂の形状を反映していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 圧力センサ素子と、信号処理ＩＣと、リードフレームと、防水樹脂と、パッケージ樹脂とを少なくとも含む圧力センサの製造方法であって、
   前記リードフレームに支持された前記圧力センサ素子及び前記信号処理ＩＣを覆うように、前記防水樹脂を形成した後、圧力媒体の導入孔と、前記導入孔よりも大きい径を有する内部空間とを有する前記パッケージ樹脂を形成して、前記内部空間に、前記圧力センサ素子、前記信号処理ＩＣ及び前記防水樹脂を配置することを特徴とする圧力センサの製造方法。
6. 前記パッケージ樹脂は、少なくとも前記導入孔及び前記内部空間を囲む部分に継ぎ目を有することなく、一体に形成されることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサの製造方法。

Images