JP2018081036A - 複合センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ケース内に実装された加速度検出素子や角速度検出素子の、ケース変形に起因した出力変動が発生する課題、および振動型角速度検出素子の振動漏れによる角速度検出素子の出力変動を解決するためになされたものである。【解決手段】半導体素子を第一接着部材でケースに固定し、半導体素子の上面に角速度検出素子を第二接着部材で、加速度検出素子を第三接着部材でそれぞれ固定し、第一接着部材、第二接着部材、および第三接着部材の縦弾性係数を１００ＭＰａ以上とする。【選択図】図１

Description

本発明は、角速度検出素子と加速度検出素子をケースに実装してパッケージングした複合センサ装置に関するものである。

近年、自動車や農業機械、建設機械および携帯電子機器（通信機器、デジタルカメラなど）の安定動作、姿勢制御および信頼性向上のため種々の物理量を検出するセンサ装置が開発されている。

センサ装置に搭載される加速度検出素子や角速度検出素子では、小型化や多機能化・複合化、および量産性向上などを目的に、シリコン（Si）の微細加工技術を用いた検出手段が主流となってきている。微細加工技術によってシリコンの微細なくし歯状構造体（電極）を形成し、このくし歯状構造体の微小変位を、電気信号に変換することで加速度や角速度などの物理量を検出している。

上記加速度検出素子や角速度検出素子のパッケージングでは、成型されたケースに加速度検出素子や角速度検出素子を、制御、計測用の半導体素子基板と共に実装したパッケージ形態が用いられている。ケースは樹脂やセラミックスで成型される場合が多く、ケースに実装される加速度や角速度の検出素子や半導体素子基板はシリコン(Si)系材料で形成されているため、両者の線膨張係数には違いある。

このような線膨張係数が異なる構造体が温度変化に晒されると、線膨張係数差に起因した変形が加速度検出素子や角速度検出素子に生じる場合がある。一般的にはケースの線膨張係数が各検出素子や半導体素子基板の線膨張係数より高いため、ケースの変形によって各検出素子が変形することになる。特に重力加速度度も検出する加速度検出素子では、ケース変形に伴って検出素子が変形する、あるいは傾斜して位置が変化すると、検出素子内部のくし歯構造体も変形し、慣性力による加速度が作用していない状態でも検出信号が出力されるため、検出精度の低下要因となる。また、ケースが樹脂材料で形成されたパッケージでは、高温高湿環境に晒された場合にも温度変化と同様の加速度センサ検出精度の低下が発生しる場合がある。これは、吸湿した樹脂材料が膨張することでケースに変形が生じるためである。したがって、シリコンの微細加工技術を加速度や角速度などの慣性力検出手段に適用したセンサ装置では、極力パッケージした検出素子に変形や傾斜などの位置変化を生じさせないパッケージ構造とすることが必要である。

また、角速度検出素子は、駆動側となるくし歯状電極を振動させ、角速度が入力された時のコリオリ力による駆動側電極の変位を、検出側のくし歯状電極で捉えることで、角速度を検出している。このような振動型の角速度検出素子では、振動している駆動側電極からの振動漏れに起因した検出精度の低下が生じる場合がある。

振動型角速度検出素子の一主面のみを接着部材で固定した構造のセンサでは、接着部材の縦弾性係数が低いなど剛性が低いような場合、角速度検出素子からの振動漏れによって角速度検出素子自体に振動が発生する場合がある。この振動によって、検出側電極が変形し、検出誤差が生じる場合がある。半導体素子上面に角速度検出素子を積層配置した構成では、半導体素子を固定する接着部材の剛性が低い場合にも、同様の現象が発生する可能性がある。

上記した加速度検出素子および角速度検出素子の検出精度低下の課題に対して、例えば、特許文献１には、以下の構成が開示されている。特許文献１に開示されている複合センサでは、角速度検出素子、加速度検出素子、およびＩＣを収納するパッケージを備えており、パッケージに実装したＩＣの上方に角速度検出素子、角速度検出素子上方に加速度検出素子が積層配置されている。角速度検出素子はＩＣと第１接着剤で接着され、加速度検出素子は角速度検出素子に第２接着剤で接着されており、ＩＣはパッケージに第３接着剤により接着されている。上記第１接着剤と第３接着剤はエポキシ系接着剤とし、第２接着剤はシリコーン系接着剤であり、第１接着剤の線膨張係数は第２接着剤の線膨張係数より小さくしている。

特許文献１では、角速度検出素子を線膨張係数の小さい第１接着剤にて接着することで漏れ振動を抑制し、検出精度の低下を抑制することが開示されている。また、加速度検出素子については、加速度検出素子を線膨張係数の大きな第２接着剤で接着することで、膨張率の違いに起因して各素子に負荷が加えられにくくなることが開示されている。

特開２００８−７６２６４号公報

しかしながら、上記した特許文献１の構成では、複合センサに過大な衝撃が印加された場合に生じる慣性力検出素子の位置ずれについての考慮がなされていなかった。特許文献１では、加速度検出素子をシリコーン系接着剤で接着することが述べられているが、シリコーン接着剤は一般的に縦弾性係数が数ＭＰａ程度と極めて低い材料である。シリコーン接着剤は衝撃力によってせん断変形しやすいため、過大な衝撃力では少数回の衝撃で変形してしまい、接着している加速度検出素子の位置が初期から変動する可能性がある。加速度検出素子は重力加速度も検出するため、位置変動、特に回転方向にずれることで検出値に誤差が生じる要因となる。

また、特許文献1では、加速度検出素子を線膨張係数の大きな接着剤で固定することが開示されているが、この構成では加速度検出素子と接着剤との線膨張係数差に起因した熱変形が検出素子に発生する可能性がある。この熱変形によって加速度検出素子に本来計測すべき加速度出力以外の出力が誤差として重畳するようになり、センサの信頼性を低下させる要因となる。

本発明は上記した課題に加えて、ケース内に実装された加速度検出素子や角速度検出素子の、ケース変形に起因した出力変動が発生する課題、および振動型角速度検出素子の振動漏れによる角速度検出素子の出力変動を解決するためになされたものである。加速度検出素子や角速度検出素子の変形や位置ずれ発生を抑制あし、出力変動を防止した高信頼性の複合センサ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では以下に示す構成を採用する。

角速度検出素子と加速度検出素子、および各検出素子からの信号を処理するとともに外部との信号入出力を制御する半導体素子をケースに実装してパッケージを形成し、半導体素子の一方の主面を第一接着部材でケース内面に固定し、半導体素子の他方の主面に角速度検出素子を第二接着部材で、加速度検出素子を第三接着部材でそれぞれ固定し、第一接着部材、第二接着部材、および第三接着部材の縦弾性係数をいずれも１００ＭＰａ以上にする。

本実施例によれば、加速度検出素子や角速度検出素子の変形や位置ずれ発生を抑制し、慣性力検出時の検出誤差や出力変動を防止した信頼性の高い複合センサ装置を提供することができる。

本発明による複合センサ装置の第１の実施形態を示す断面図である。 図１に示した複合センサ装置のカバーを取り除いた平面図である。 第３実施例を示す断面図である。 第４実施例を示す断面図である。 第５実施例を示す断面図である。 図５に示したインサート部材形状を示す平面図である。 複合センサ装置に衝撃が印加された場合における接着部材の縦弾性係数と素子の位置ずれの関係を示す図である。 第２実施例を説明するための、半導体素子接着部材と加速度検出素子接着部材の平均縦弾性係数と、加速度検出素子に発生する応力の関係を示す図である。 解析結果を示す図である。 平均縦弾性係数と加速度検出値の変動量の関係を示す図である。

以下、本発明に係る実施例を、図面を用いて説明する。

図1は、本発明による複合センサ装置の断面図、図２はカバーを取り除いた状態の平面図である。

図1、図２に示すように、本発明による複合センサ装置２０は、開口部を有するケース７の内部に角速度検出素子１、加速度検出素子２、および半導体素子３が配置されている。半導体素子３はケース７の内側底面７ａ上に設置され、半導体素子３の主面３ｂが第一接着部材４でケース７に固定されている。角速度検出素子１と加速度検出素子２は、半導体素子３の主面３ａ上に設置されており、角速度検出素子１の主面１ｂが第二接着部材５によって、加速度検出素子２の主面２ｂが第三接着部材６によってそれぞれ半導体素子３の主面３ａに固定されている。角速度検出素子１、加速度検出素子２それぞれと半導体素子３の間は、両検出素子の主面１ａ、２ａ上の図示されていない電極と半導体素子３の主面３ａ上の図示されていない電極とを接合するワイヤ１１によって電気的に接続されている。同様に半導体素子３の主面３ａ上の電極とインナーリード９間もワイヤ１１によって電気的に接続がなされている。ケース７の上面７ｂには、ケース７の開口部を覆うカバー８が接着部材１２によって接着されており、角速度検出素子１、加速度検出素子２、および半導体素子３がパッケージングされている。ケース側面７ｃではインナーリード９と繋がったアウターリード１０がケース７から突出しており、複合センサ装置２０外部の例えばプリント基板や筐体などに接続される。

角速度検出素子1や加速度検出素子２は、シリコン（Si）を微細加工して形成したくし歯状の物理量検出部を内蔵し、それらの周囲をSiやガラスなどで積層封止して形成される。半導体素子３は、Si上に半導体プロセス加工技術で所定の回路や電極が形成されている。この半導体素子３は角速度検出素子１や加速度検出素子２の検出動作を制御するとともに、検出信号の複合センサ装置内外部の入出力制御などを行う。インナーリード９、アウターリード１０は、銅合金（Cu）や鉄ニッケル合金（Fe-42Ni）などの金属材料で構成される。ワイヤ１１には、例えば直径20〜25μmのAu（金）細線を使用する。ケース７やカバー８には、シリカ粒子を充填した熱硬化性エポキシ樹脂などを用い、例えばトランスファーモールドによって成型される。

角速度検出素子１を固定する第二接着部材５や加速度検出素子２を固定する第三接着部材６にはフィルム状の接着部材を用いる。フィルム状接着部材を用いることで各検出素子の半導体素子３への搭載位置精度を確保することができるようになる。半導体素子３を固定する第一接着部材４には、フィルム状接着部材やペースト状接着部材などを使用する。

ここで、本筆者らは、ケースに半導体素子、その上方に角速度検出素子と加速度検出素子を配置してSOP（Small Outline Package）型パッケージを形成した複合センサ装置について、衝撃印加時における検出素子ずれ量の検出素子固定用接着部材の弾性率依存性を検討した。

複合センサ装置のパッケージ（質量ｍ）に衝撃（ａ）が印加された際の力(Ｆ＝ｍａ)が、加速度検出素子の接着部材に作用すると仮定し、接着部材のせん断ずれ量、すなわち検出素子のずれ量を算出した。印加する加速度は４０Ｇ(３９２ｍ/ｓ²)とした。

接着部材の縦弾性係数とずれ量を、接着部材の厚さを変えて算出した結果を図７に示す。接着部材の縦弾性係数が低くなるとともにずれ量も減少し、接着部材厚が薄いほどずれ量も小さくなっている。図７の算出例では、接着部材の厚さによらず縦弾性係数１００ＭＰａになればずれ量は極僅かとなり、加速度件検出素子による検出値誤差を抑制することが可能である。

さらに、上記ＳＯＰ型パッケージの複合センサ装置について、有限要素法による固有値解析を実施した。解析結果を図９に示す。その結果、半導体素子をシリコーン系接着剤を想定した縦弾性係数（１００ＭＰａ以下）の接着部材で固定した場合に、半導体検出素子自体が振動する変形モードが現れることを明らかにしている。接着部材の縦弾性係数１００ＭＰａ以上では、パッケージ全体が振動する変形モードとなっていた。この解析結果から、角速度検出素子および半導体素子をそれぞれ固定する接着部材の縦弾性係数を１００ＭＰａ以上にすることで、上記両素子の固定が強固となり、素子自体の振動発生を抑制し、検出誤差を防止することが可能となる。

本実施例では、半導体素子３をケース７に固定する第一接着部材、角速度検出素子１を半導体素子３に固定する第二接着部材、および加速度検出素子２を半導体素子３に固定する第三接着部材６の各縦弾性係数を１００ＭＰａ以上にしている。

上記の構成を用いることによって、角速度検出素子１、加速度検出素子２、および半導体素子３の固定を強固にできる。そのため、複合センサ装置に過大な衝撃が印加された場合であっても、加速度検出素子、角速度検出素子、および半導体素子を固定する接着部材のせん断変形を低減することが可能となる。これによって、特に加速度検素子の位置ずれ発生を防止し、検出値に誤差が生じるのを抑制することができる。

また、第二接着部材の縦弾性係数は第一接着部材の縦弾性係数以上とし、第一接着部材の縦弾性係数は第三接着部材の縦弾性係数以上とする。

上記構成によって、角速度検出素子１と半導体素子３それぞれが縦弾性係数の高い接着部材４、５で固定できるので、振動型の角速度検出素子１からの振動漏れ挙動による角速度検出素子１自体や半導体素子３自体の振動（共振による振動）を低減、抑制することが可能となる。これによって、角速度検出値の変動を抑制し、検出精度の低下を防ぐことができる。

さらに、半導体素子３や加速度検出素子２の主構成部材であるシリコン(Si)より一般的に線膨張係数が高い樹脂やセラミックスなどで成型されるケース７の熱変形を第一接着部材４と第三接着部材６自体の変形によって十分に吸収できるようになる。加速度検出素子２の下方（主面２ｂ側）にある接着部材４、６がケース７による変形を吸収することで、加速度検出素子２に発生する変形が緩和され、加速度検出値にケース７の変形による検出誤差が重畳することを防止することが可能となる。

これらによれば、角速度や加速度の検出誤差を低減した信頼性の高い複合センサ装置を提供することが可能となる。

実施例２について、図８を用いて説明する。実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例２では、第一接着部材４の縦弾性係数と第三接着部材６の縦弾性係数の平均を４０００ＭＰａ以下になるような構成とする。その上で、上記したように第一接着部材の縦弾性係数を第三接着部材の縦弾性係数より高くする。

本筆者らは、上記ＳＯＰ型パッケージの複合センサ装置について、加速度検出素子用接着部材と半導体素子用接着部材の縦弾性係数平均値と加速度検出素子に発生する応力の関係を有限要素解析により検討した。図８は、複数の解析点から求めた近似曲線を示しており、平均縦弾性係数が低くなるとともに加速度検出素子に発生する応力も減少している。別途実験により求めた図１０に示す平均縦弾性係数と加速度検出値の変動量の関係から、検出誤差を複合センサ装置に求められる仕様以下（加速度センサゼロ点変動５ｍｇ以下）にするためには、平均縦弾性係数を４０００ＭＰａ以下にする必要があることが明らかになった。図１０は、ケースを樹脂材料で形成したＳＯＰ型パッケージの高温高湿試験時の加速度センサゼロ点出力変動と素子接着剤の平均縦弾性係数の関係を示した図です。

このような構成によって、半導体素子や加速度検出素子の主構成部材であるシリコン(Si)と線膨張係数が異なる樹脂、セラミックスで成型されるケースの熱変形を第一接着部材と第三接着部材自体の変形によって吸収することができるようになる。接着部材が変形を吸収することにより、加速度検出素子に発生する変形を低減することが可能となるため、加速度検出値に誤差が生じることを抑制できる。

次に実施例３を、図３を用いて説明する。なお、実施例１と同様の構成については説明を省略する。

実施例２では、実施例１の構成に加えて、角速度検出素子１の主面１ａ、加速度検出素子２の主面２ａおよび半導体素子３の主面３ａと、ワイヤ１１の周囲を低弾性コーティング部材１３で封止していることである。低弾性コーティング部材１３で少なくとも各素子の主面１ａ、２ａ、３ａとワイヤ１１を覆うことによって、ワイヤ１１が各素子に接触した場合の電気的な不良（短絡など）発生を防止することができる。また、各素子表面の電極（図示されていない）やワイヤ１１の防湿効果が得られ、電極やワイヤの腐食を防ぐことが可能となる。各素子の少なくとも主面１ａ、２ａ、３ａを覆う低弾性コーティング部材１３は、複合センサ装置が温度変化の大きな環境に晒されても、各素子を変形させるような外力は作用しないので、角速度や加速度の検出誤差が生じることはない。なお、低弾性コーティング部材１３は、シリコーン系のゲル状材料や、ペースト材を使用する。

次に実施例４を、図４を用いて説明する。なお、実施例１から３と同様の構成については説明を省略する。

図４に示すようにカバー８に通気孔１４を形成しても良い。これによって、低弾性コーティング部材１３に残存している空気（気泡として残存）や水分（各素子の接着部材にも含まれている）をケース７の外部に放出することが可能となる。

次に実施例５について、図５と図６を用いて説明する。なお、実施例１から４と同様の構成については、説明を省略する。

実施例１から４と異なる点は、ケース７の底面部分にインサート部材１５を形成したことである。

ケース７はエポキシ系樹脂やセラミックスなどで形成されるが、これらの材料は、ケース７に収納される半導体素子３や角速度検出素子１、加速度検出素子２より線膨張係数が高くなっている。このような部材構成の複合センサ装置が温度変化環境に晒されると、ケース７と各素子との線膨張係数差に起因してケース７が変形し、この変形によって角速度検出素子１や加速度検出素子２の検出出力に誤差が生じる場合がある。

図５の示したようにケース７の底面部分に金属材料からなるインサート部材１５を挿入すると、ケース７の剛性が高くなり、環境温度が変化した場合でもケース７の変形量を低減することができる。これによってケース７に半導体素子３を介して搭載されている角速度検出素子１や加速度検出素子２の変形も低減することができ、慣性力検出出力に誤差が生じるのを抑制することが可能となる。

インサート部材１４は、インナーリード９やアウターリード１０と同じ金属材料（銅合金や鉄系合金材料）で形成する。したがって、厚さはインナーリード９などと同じである。インサート部材１５の平面形状は、図６に示すようにコーナー部にＲや面取りを施すことが望ましい。これによって、コーナー部分における応力集中を低減し、ケース７を構成する材料との界面にはく離やき裂が発生するのを防止することができる。

１…角速度検出素子、２…加速度検出素子、３…半導体素子、４…第一接着部材、５…第二接着部材、６…第三接着部材、７…ケース、８…カバー、９…インナーリード、１０…アウターリード、１１…ワイヤ、１２…カバー接着剤、１３…コーティング部材、１４…通気孔、１５…インサート部材、２０…複合センサ装置

Claims (6)

1. 角速度検出用の角速度検出素子と、
   加速度検出用の加速度検出素子と、
   前記角速度検出素子と、前記加速度検出素子が搭載される基板と、
   前記角速度検出素子、前記加速度検出素子、および前記基板を実装するケースと、
   前記基板と前記ケースを接着する第一接着部材と、
   前記基板と前記角速度検出素子を接着する第二の接着部材と、
   前記基板と前記加速度検出素子を接着する第三の接着部材と、を備え、
   前記第一接着部材、前記第二接着部材、および前記第三接着部材の縦弾性係数が１００ＭＰａ以上である複合センサ装置。
2. 前記第二接着部材の縦弾性係数は、前記第一接着部材の縦弾性係数以上であり、
   前記第三接着部材の縦弾性係数は、前記第一接着部材の縦弾性係数以下である請求項２に記載の複合センサ装置。
3. 前記第一接着部材の縦弾性係数と前記第三接着部材の縦弾性係数の平均縦弾性係数が４０００ＭＰａ以下である請求項１または２に記載の複合センサ装置。
4. 前記基板は、角速度検出素子と加速度検出素子からの信号を処理するとともに外部との信号入出力を制御する半導体素子である請求項１乃至請求項３の何れかに記載の複合センサ装置。
5. 少なくとも前記角速度検出素子と前記加速度検出素子とが、低弾性コーティング部材で封止される請求項１乃至４の何れかに記載の複合センサ装置。
6. 前記低弾性コーティング部材の縦弾性係数を１００ＭＰａ以下にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の複合センサ装置。

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