JP2018185213A - Pressure sensor and method for equipping the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧力センサ及びその実装方法に関する。 The present invention relates to a pressure sensor and a mounting method thereof.
従来、圧力センサとしては、ダイアフラム等の機械的感圧素子により検知されたひずみを、ピエゾ抵抗等により電気信号に変換することで圧力を検知する方式が開発されている。特許文献1には、センサチップを収納するボディ内部に導入管から被圧力検出流体を導入する構成のパッケージを備えた圧力センサが記載されている。 Conventionally, as a pressure sensor, a method of detecting pressure by converting a strain detected by a mechanical pressure sensitive element such as a diaphragm into an electric signal by a piezoresistor or the like has been developed. Patent Literature 1 describes a pressure sensor including a package configured to introduce a pressure detection fluid from an introduction pipe into a body that houses a sensor chip.
測定可能な圧力領域がより小さくなり、より微圧の測定が求められるにつれて、樹脂パッケージの変形による外部応力の影響が無視できなくなる。これにより、センサ出力のオフセット電圧の変動が大きくなる。特に、外部温度の変動があると、圧力センサの各部を構成する材料の熱膨張係数の違いから、センサ素子に応力が作用して、圧力センサの特性が変動するおそれがある。 As the measurable pressure region becomes smaller and the measurement of finer pressure is required, the influence of external stress due to the deformation of the resin package cannot be ignored. Thereby, the fluctuation | variation of the offset voltage of sensor output becomes large. In particular, if the external temperature varies, stress may act on the sensor element due to the difference in thermal expansion coefficients of the materials constituting each part of the pressure sensor, and the characteristics of the pressure sensor may vary.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、外部応力の影響を抑制することが可能な圧力センサ及びその実装方法を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and makes it a subject to provide the pressure sensor which can suppress the influence of an external stress, and its mounting method.
前記課題を解決するため、本発明は、樹脂パッケージと、前記樹脂パッケージ上にダイボンド樹脂を介して設けられた台座と、前記台座上にダイボンド樹脂を介して設けられた圧力センサ素子とを備え、前記台座は、圧力媒体が前記圧力センサ素子に通じる経路を有し、前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の0.5倍〜1.5倍の線膨張係数を有する物質で形成され、前記台座は、少なくとも20〜200℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で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。 In order to solve the above problems, the present invention includes a resin package, a pedestal provided on the resin package via a die-bond resin, and a pressure sensor element provided on the pedestal via a die-bond resin. The pedestal has a path through which a pressure medium communicates with the pressure sensor element, and the pedestal is formed of a material having a linear expansion coefficient of 0.5 to 1.5 times the linear expansion coefficient of the resin package, The pedestal is formed of a material having no glass transition point and no melting point at least between 20 and 200 ° C., and provides a pressure sensor.
前記台座は、少なくとも20〜300℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていてもよい。
前記樹脂パッケージは、ポリフェニレンサルファイド(PPS)を含み、前記台座は、アルミニウム、真鍮、銅合金から選択される金属で形成されていてもよい。
The pedestal may be made of a material having no glass transition point and no melting point at least between 20 and 300 ° C.
The resin package may include polyphenylene sulfide (PPS), and the pedestal may be formed of a metal selected from aluminum, brass, and copper alloy.
また、本発明は、前記圧力センサの実装方法であって、前記圧力センサ素子と電気的に接続された端子に半田を付与し、リフローする工程を有することを特徴とする圧力センサの実装方法を提供する。 In addition, the present invention provides a mounting method for the pressure sensor, the method including mounting a solder to a terminal electrically connected to the pressure sensor element and performing a reflow process. provide.
本発明によれば、温度の変動があってもセンサ素子に応力が作用しにくくなり、圧力センサの特性変動を抑制することができる。 According to the present invention, it is difficult for stress to act on the sensor element even if there is a change in temperature, and the characteristic change of the pressure sensor can be suppressed.
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に、本実施形態の圧力センサを示す。本実施形態の圧力センサ10は、概略として、圧力センサ素子11と、ダイボンド樹脂12と、台座13と、樹脂パッケージ14を備える。
Hereinafter, based on a preferred embodiment, the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a pressure sensor of this embodiment. The
図1(a)に示すように、圧力センサ素子11は、基板11bに形成された検知部11aを有する。検知部11aとしては、例えばダイアフラムが挙げられる。検知部11aの厚さ、大きさ等により、圧力に対する感度を調整することができる。圧力センサ素子11の内部には、圧力センサ10の外部から圧力媒体が導入される凹部11cが設けられている。圧力センサ素子11は、例えばMEMS技術によりシリコン等の半導体から構成されてもよい。
As shown in FIG. 1A, the
検知部11aは、凹部11c内の圧力と圧力センサ素子11の外部の圧力との差の変化に応じて変形が可能である。本実施形態の圧力センサ10は、絶対圧、相対圧(差圧、ゲージ圧)等の種類に応じた構成をとることができる。例えば、圧力センサ素子11の外部が、図示しない蓋部などにより閉鎖された圧力基準室を構成する場合、検知部11aは、凹部11cに導入される圧力媒体の圧力の変化に応じて、圧力センサ10の外部の圧力の変化を検知することができる。検知部11aの両側の空間がそれぞれ圧力媒体の導入口を介して圧力センサ10の外部に通じている場合、検知部11aは、その両側の空間の差圧を検知することができる。一方の空間の圧力が大気圧を示す場合、検知部11aは、他方の空間のゲージ圧を検知することができる。
圧力が変化すると、検知部11aに歪みが生じる。検知部11aに生じた歪みは、ピエゾ抵抗等により、電圧等の電気信号に変換することが可能である。電気信号は、圧力センサ素子11と電気的に接続されたリード等の外部端子を通じて圧力センサ10の外部に取り出される。圧力センサ10を外部の基板等に実装する際は、外部端子に半田を付与し、リフローする工程を有することが、生産性の観点から好ましい。
The
When the pressure changes, the
圧力センサ素子11は、台座13の上方に配置されている。圧力センサ素子11は、台座13上にダイボンド樹脂12を介して設けられている。台座13は、圧力媒体が圧力センサ素子11に通じる経路13aを有する。台座13の材質は、例えば金属である。経路13aとしては、例えば台座13を貫通する穴(スルーホール)が挙げられる。圧力媒体は、気体、液体等の流体である。
The
台座13は、樹脂パッケージ14に圧力センサ素子11が実装される箇所に設けられている。また、台座13は、樹脂パッケージ14上にダイボンド樹脂12を介して設けられている。樹脂パッケージ14は、圧力媒体を通す経路14aを有する。経路14aとしては、例えば樹脂パッケージ14の底部を貫通する穴(スルーホール)が挙げられる。樹脂パッケージ14に設けられた圧力媒体の経路14aは、台座13に設けられた圧力媒体の経路13aと重なり合う位置に設けられてもよい。経路13a,14aを通して検知部11aの受圧面に圧力媒体が接触することができる。
The
台座13の平面形状は、圧力センサ素子11が樹脂パッケージ14側に固着される箇所をすべて含んでもよい。図1(b)では、台座13の外形が四角形で、経路13aが円形の例を示す。これらの形状は特に限定されず、例えば台座13の外形が円形等であってもよい。
The planar shape of the
樹脂パッケージ14は、比較的安価な樹脂から構成することができる。樹脂パッケージ14の構成材料として、例えば線膨張係数が約2.2×10−5/Kのポリフェニレンサルファイド(PPS)が挙げられる。PPSは、例えば約260℃以上で熱変形温度となり、融点は約280℃である。樹脂パッケージ14が、少なくとも20〜300℃の間においてガラス転移点又は融点を有してもよい。樹脂パッケージ14が熱可塑性樹脂であると、モールド成形が容易であるので好ましい。なお、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等から樹脂パッケージ14を構成することも可能である。
The
台座13は、圧力センサ10の実装時又は使用時における外部環境の温度範囲で剛性を保つ材料から構成される。台座13の構成材料は、少なくとも20〜200℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質であることが好ましく、少なくとも20〜300℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質であることがより好ましい。
The
また、台座13は、樹脂パッケージ14に近い線膨張係数を有する。台座13の線膨張係数κ1は、樹脂パッケージ14の線膨張係数κ2の0.5倍〜1.5倍の範囲内であることが好ましい。台座13の線膨張係数κ1が、樹脂パッケージ14の線膨張係数κ2の0.7倍〜1.3倍の範囲内であることがより好ましい。例えば、樹脂パッケージ14がPPSを含む場合は、台座13は、線膨張係数が約2.4×10−5/Kのアルミニウム(Al)、線膨張係数が約2.1×10−5/Kの真鍮、もしくは、PPSに近い線膨張係数を有する銅合金から形成されていることが好ましい。なお、真鍮も銅合金の一種(銅と亜鉛の合金)であるが、適切な線膨張係数を有する金属であれば特に限定されず、他の合金でもよい。
The
図2に、外部環境が25℃から260℃まで昇温されたときに、樹脂パッケージ14のスルーホール付近にかかる応力について、シミュレーションを実施した結果を示す。「ガラス」、「Al」、「真鍮」は台座13の材質を示す。また、「台座無」は台座13を省略して、樹脂パッケージ14上にダイボンド樹脂12を介して圧力センサ素子11を実装した構成を示す。台座の材質に添えた数値は、長さL×幅W×厚さT(単位:mm)を表す。図2(a)では、Al台座をガラス台座、台座無と比較し、図2(b)では、真鍮台座をガラス台座、台座無と比較した。対比例の台座に用いたガラスの線膨張係数は、約0.058×10−5/Kである。
FIG. 2 shows the result of simulation for the stress applied to the vicinity of the through hole of the
図2の結果から、ガラス、台座無、Al、真鍮の順番で、樹脂パッケージにかかる応力が小さくなっていることが分かる。これは、樹脂パッケージと台座の線膨張係数差が小さいほど、樹脂パッケージにかかる応力が小さくなることを表わしている。また、このシミュレーションでは、台座の厚さ、大きさの変化に対して応力の有意な差は見られないことが分かった。よって、台座の材質、特に台座の線膨張係数を考慮することが有意である。 From the result of FIG. 2, it can be seen that the stress applied to the resin package decreases in the order of glass, no pedestal, Al, and brass. This represents that the stress applied to the resin package becomes smaller as the difference in coefficient of linear expansion between the resin package and the pedestal becomes smaller. In addition, in this simulation, it was found that there was no significant difference in stress with respect to changes in the thickness and size of the pedestal. Therefore, it is significant to consider the material of the pedestal, especially the linear expansion coefficient of the pedestal.
以上の結果を踏まえて、台座の有無及び材料が異なるサンプルを用意して、オフセット変動を比較した結果を図3のグラフに示す。各サンプルは、樹脂パッケージにPPSを主な材料として用いた樹脂を使用し、シリコンを主な材料としたMEMSの圧力センサ素子を使用した。台座の材質は、ガラス、Al、真鍮、銅合金の4種類であり、これに「台座無」を加えた5種類の水準が比較対象である。各水準の実験投入数、台座の厚さ及び線膨張係数(CTE)を表1に示す。なお、PPSの線膨張係数は約2.2×10−5/K、シリコンの線膨張係数は約0.26×10−5/Kである。 Based on the above results, samples having different base materials and materials are prepared, and the results of comparing offset fluctuations are shown in the graph of FIG. In each sample, a resin using PPS as a main material was used for a resin package, and a MEMS pressure sensor element using silicon as a main material was used. There are four types of pedestal materials: glass, Al, brass, and copper alloy, and five types of levels including “no pedestal” are comparison targets. Table 1 shows the number of experimental inputs at each level, the thickness of the pedestal, and the coefficient of linear expansion (CTE). Note that the linear expansion coefficient of PPS is about 2.2 × 10 −5 / K, and the linear expansion coefficient of silicon is about 0.26 × 10 −5 / K.
オフセット変動の測定方法は、各サンプルについて、最大温度が270℃のリフロー工程を実施し、リフロー工程前のオフセット出力と、リフロー工程から30分経過後のオフセット出力を測定し、フルスケールに対する変動(%FS)に換算する方法である。ここで、30分経過後をリフロー直後としたのは、サンプルの温度がリフロー工程前と十分同じ室温まで戻るのに要する時間を考慮したためである。 The offset fluctuation measurement method is to perform a reflow process with a maximum temperature of 270 ° C. for each sample, measure the offset output before the reflow process and the offset output after 30 minutes from the reflow process, % FS). Here, the reason that 30 minutes have passed immediately after the reflow is that the time required for the sample temperature to return to the same room temperature as that before the reflow process is taken into consideration.
図3の結果から、台座の線膨張係数が樹脂パッケージの線膨張係数と近くなるほど、オフセット変動を抑制する効果が大きいことが判明した。すなわち、本発明の解決手段が効果を奏する可能性が極めて高いことが示された。 From the result of FIG. 3, it was found that the effect of suppressing the offset fluctuation is larger as the linear expansion coefficient of the pedestal becomes closer to the linear expansion coefficient of the resin package. That is, it was shown that the solution of the present invention is very likely to be effective.
リフロー工程によるオフセット変動については、次のようなメカニズムが考えられる。
(1)室温から樹脂パッケージの温度が上昇すると、樹脂パッケージと圧力センサ素子の線膨張係数差、温度差から、圧力センサ素子に弾性的な応力が発生する。
(2)樹脂パッケージの温度が、樹脂の融点等(相転移点)に達すると、樹脂が粘性を獲得して、圧力センサ素子の弾性的な応力が減少する。
(3)温度が樹脂の凝固点等(相転移点)以上で、樹脂パッケージが粘性を有する間は、樹脂パッケージの応力があまり発生しない。なお、熱可塑性樹脂は融点と異なる凝固点を有する場合がある。
(4)樹脂パッケージが弾性を獲得するまで温度が低下すると、樹脂パッケージと圧力センサ素子の線膨張係数差、温度差から、圧力センサ素子に弾性的な応力が発生する。
The following mechanism can be considered for the offset fluctuation due to the reflow process.
(1) When the temperature of the resin package rises from room temperature, an elastic stress is generated in the pressure sensor element due to a difference in linear expansion coefficient and a temperature difference between the resin package and the pressure sensor element.
(2) When the temperature of the resin package reaches the melting point or the like (phase transition point) of the resin, the resin acquires viscosity and the elastic stress of the pressure sensor element decreases.
(3) While the temperature is equal to or higher than the freezing point of the resin (phase transition point) and the resin package is viscous, the resin package does not generate much stress. The thermoplastic resin may have a freezing point different from the melting point.
(4) When the temperature decreases until the resin package acquires elasticity, an elastic stress is generated in the pressure sensor element from the difference in linear expansion coefficient and the temperature difference between the resin package and the pressure sensor element.
リフロー工程の間、樹脂パッケージが粘性を獲得せず、弾性を維持する場合は、温度の上昇による膨張と、温度の下降による収縮がほぼ釣り合うため、室温に戻ったときに圧力センサ素子に残留する応力は小さくなると考えられる。しかし、その場合は、樹脂パッケージの材料や加工のコストが高いという懸念がある。 If the resin package does not acquire viscosity and remains elastic during the reflow process, the expansion due to the rise in temperature and the shrinkage due to the fall in temperature are almost balanced, so that it remains in the pressure sensor element when it returns to room temperature. The stress is thought to be small. However, in that case, there is a concern that the material of the resin package and the processing cost are high.
上述したように、リフロー工程の間に樹脂パッケージが粘性を獲得すると、高温において圧力センサ素子の応力が緩和される。しかし、リフロー工程から冷却される過程で、樹脂パッケージが圧力センサ素子より大きく収縮することにより、圧力センサ素子に応力が発生する。そこで、リフロー温度範囲内に樹脂パッケージがガラス転移点や融点等の相転移点を持ち、熱変形し得るとしても、圧力センサ素子の応力を抑制する必要がある。 As described above, when the resin package acquires viscosity during the reflow process, the stress of the pressure sensor element is relieved at a high temperature. However, in the process of cooling from the reflow process, the resin package contracts more than the pressure sensor element, thereby generating stress in the pressure sensor element. Therefore, even if the resin package has a phase transition point such as a glass transition point or a melting point within the reflow temperature range and can be thermally deformed, it is necessary to suppress the stress of the pressure sensor element.
圧力センサ素子11と台座13の線膨張係数が異なるので、リフロー工程により圧力センサ10全体の温度が上昇すると、圧力センサ素子11が応力を受ける。しかし、圧力センサ素子11の変形は弾性的な変化なので、温度が室温に戻ると、圧力センサ素子11が受けた応力は無くなる。一方、台座13と樹脂パッケージ14との間で線膨張係数差を小さくすることにより、樹脂パッケージ14の変形を抑制することができる。よって、本実施形態によれば、リフロー工程後に樹脂パッケージ14から受ける台座13の変形の影響が少なくなるため、台座13の変形が圧力センサ素子11に与える影響も少なくなる。
Since the linear expansion coefficients of the
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。 As mentioned above, although this invention has been demonstrated based on suitable embodiment, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention.
上述の圧力センサは、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。 The above-described pressure sensor can also be used for a device that measures a physical quantity other than pressure based on the surrounding water pressure or atmospheric pressure, such as a water depth meter or an altimeter.
10…圧力センサ、11…圧力センサ素子、12…ダイボンド樹脂、13…台座、14…樹脂パッケージ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記樹脂パッケージ上にダイボンド樹脂を介して設けられた台座と、
前記台座上にダイボンド樹脂を介して設けられた圧力センサ素子とを備え、
前記台座は、圧力媒体が前記圧力センサ素子に通じる経路を有し、
前記台座は、前記樹脂パッケージの線膨張係数の0.5倍〜1.5倍の線膨張係数を有する物質で形成され、
前記台座は、少なくとも20〜200℃の間においてガラス転移点及び融点を持たない物質で形成されていることを特徴とする圧力センサ。 A resin package;
A pedestal provided on the resin package via a die bond resin;
A pressure sensor element provided on the base via a die bond resin,
The pedestal has a path through which a pressure medium communicates with the pressure sensor element;
The pedestal is formed of a material having a linear expansion coefficient of 0.5 to 1.5 times the linear expansion coefficient of the resin package,
The pedestal is formed of a material having no glass transition point and no melting point at least between 20 and 200 ° C.
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