JP2019082366A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】超音波洗浄が行われたとしても電気的接続箇所の破損、例えばボンディングワイヤの断線が発生するのを防ぐことができる圧力センサを提供する。【解決手段】圧力検知素子を含む、１つ又は２つ以上の電子部品と、開口部を有するキャビティ空間を備えたパッケージと、非透水性の貫通孔を有し、開口部を覆う蓋部と、電子部品に接続される、１つ又は２つ以上のボンディングワイヤと、与えられた振動を減衰させる振動減衰性を有する減衰材料とを備えた圧力センサであって、１つ又は２つ以上の電子部品は、キャビティ空間の内部に実装され、減衰材料は、少なくとも１つ又は２つ以上のボンディングワイヤが電子部品に接続される箇所を覆っており、電子部品及びボンディングワイヤと、蓋部との間に空気層が介在する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧力センサ、特に、ハードディスクその他の精密機器に搭載される圧力センサに関する。

特許文献１に記載の圧力センサは、センサ素子と電気的に接続されるセンサ接続部と、電気信号をコードに伝達する端子部と、センサ素子からの電気信号を増幅する増幅回路を配設する配設部とを備えた回路基板を、下部ハウジング１及び上部ハウジング２からなるケース体に収容した構成を備えており、回路基板の配設部には補強板が配設され、この補強板の外周から下部ハウジングの周壁に達するようにシリコーンゴムが設けられている。この構成により、車両等の振動によって補強板が揺れることを抑制でき、増幅回路部と第一の配設部との電気的接続、すなわち、増幅回路部の半田付け個所に、振動によるクラックが発生することを抑制できるため、電気的接続の信頼性が向上し、高い耐振動性能を得ることができる。

さらに、特許文献１に記載の圧力センサでは、補強板よりも上側がシリコーンゲルで充填されているため、回路基板が車両等の振動によって揺れ動くことを抑制でき、回路基板の端子部と、コードとの接続個所における電気的接続の信頼性が向上することから、高い耐振動性能を実現することが可能となる。

特開２００４−２６４０９５号公報

ハードディスクその他の精密機器に搭載される圧力センサは、ハードディスクと同様に微細な汚れを確実に除去するために超音波洗浄が行われる。しかしながら、特許文献１に記載の圧力センサにおいては、車両等のような低周波数の振動による揺れの抑制は可能ではあっても、超音波のような高い周波数の音波が内部まで伝播されたときに、その振動を抑制することは難しく、伝播された振動によって半田付けなどの電気的接続箇所が破損するおそれがあり、電気的接続の信頼性を維持することは困難であった。

そこで本発明は、超音波洗浄が行われたとしても電気的接続箇所の破損、例えばボンディングワイヤの断線が発生するのを防ぐことができる圧力センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の圧力センサは、圧力検知素子を含む、１つ又は２つ以上の電子部品と、開口部を有するキャビティ空間を備えたパッケージと、非透水性の貫通孔を有し、開口部を覆う蓋部と、電子部品に接続される、１つ又は２つ以上のボンディングワイヤと、与えられた振動を減衰させる振動減衰性を有する減衰材料とを備えた圧力センサであって、１つ又は２つ以上の電子部品は、キャビティ空間の内部に実装され、減衰材料は、少なくとも１つ又は２つ以上のボンディングワイヤが電子部品に接続される箇所を覆っており、電子部品及びボンディングワイヤと、蓋部との間に空気層が介在することを特徴としている。キャビティ空間を形成するパッケージの内面に電極（パッド）が設けられこの電極（パッド）にボンディングワイヤが接続されている場合には、この接続箇所も減衰材料により覆われていることが好ましい。

電子部品及びボンディングワイヤと蓋部との間に空気層が介在することによって、蓋部側からキャビティ空間内に向かう外部振動（超音波など）を効率的に遮蔽することができる。したがって、キャビティ空間内に位置する電子部品（具体的には圧力検知素子）の破損やボンディングワイヤの断線が抑制される。さらに、キャビティ空間内に配置されるボンディングワイヤへと、パッケージを介して外部から伝播される振動については、ボンディングワイヤの接続箇所を覆うように減衰材料を配置することにより減衰させることができる。したがって、超音波振動のような振動が外部から付与された場合であっても、圧力検知素子のダイアフラムの破損や、ボンディングワイヤの電気的接続箇所の破損やボンディングワイヤの断線などを確実に防止することができる。

本発明の圧力センサは、上記振動が超音波洗浄による振動であっても、その振動が蓋部を通ってキャビティ内部に侵入することが空気層によって遮断され、かつ、パッケージを伝播してボンディングワイヤに到達する超音波の振動を減衰材料によって確実に減衰させることができる。

本発明の圧力センサにおいて、パッケージはセラミックスからなる部分を有し、減衰材料はゴムであることが好ましい。
パッケージの構成材料としてセラミックスを用いることにより超音波洗浄による洗浄効果を得ることができる。一方、減衰材料としてゴムを用いることによって、パッケージを介してボンディングワイヤに伝播される振動を確実に減衰させることができ、これによってボンディングワイヤの破損等を防ぐことができる。

本発明の圧力センサにおいて、上記減衰材料は電子部品の側面とパッケージにおけるキャビティ空間を形成する内面とに接するように設けられていることが好ましい。
ボンディングワイヤは、電子部品に設けられた電極（電子部品に接続される箇所）とパッケージに設けられた電極とをつなぐように形成される場合があり、この場合には、上記のように減衰材料が設けられていることにより、外部からの振動が電子部品に伝播しても、電子部品のパッケージに対する相対的な変位が抑制されるため、ボンディングワイヤの破損をより確実に防止することができる。

本発明の圧力センサにおいて、蓋部はシリコンを有し、貫通孔の内壁面にはフッ化炭素が成膜されていることが好ましい。
これにより、パッケージのキャビティ空間内に振動を伝播させやすい液体、特に水が浸入することを防ぐことができるため、外部からの振動に対する優れた減衰性を有する空気層を維持できることから、ボンディングワイヤの接続箇所へ伝播する振動を小さく抑えることができる。

本発明の圧力センサにおいて、電子部品は、減衰材料とは異なる弾性材料を介してパッケージに実装されていることが好ましい。
弾性材料を用いることにより、パッケージに加えられた外部応力が電子部品、特に圧力検知素子に伝達されにくく、測定精度の低下を抑えることができる。

本発明によると、超音波洗浄が行われたとしても電気的接続箇所の破損、例えばボンディングワイヤの断線が発生するのを防ぐことができる圧力センサを提供することができる。

本発明の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 図１に示す圧力センサ１０の内部を上から見た平面図である。 第１変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 第２変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図である。 第３変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る圧力センサについて図面を参照しつつ詳しく説明する。図１は本実施形態に係る圧力センサ１０の構成を示す断面図、図２は、図１に示す圧力センサ１０の内部を上（Ｚ１側）から見た平面図である。図１は、図２のＡ−Ａ’線の位置の断面であり、一部構成の表示を省略している。図２においては、蓋部４０に設けた貫通孔４１の位置を仮想的に示している。

図１と図２に示すように、本実施形態の圧力センサ１０は、電子部品としての回路部２１、２３、及び、センサ部２２と、これらの回路部２１、２３、及び、センサ部２２が内部に実装されるパッケージ３０と、パッケージ３０の開口部３３を覆う蓋部４０とを備える。図２に示すように、回路部２１、２３、及び、センサ部２２には、ボンディングワイヤ５１、５２、５３、５４、５５、５６が接続されている。以下各部材について説明する。

圧力センサ１０は、電子部品として、２つの回路部２１、２３、及び、センサ部２２を有する。これらの電子部品の数や配置は、圧力センサ１０の仕様などに応じて任意に設定することができる。センサ部２２は、圧力検知素子を有し、この圧力検知素子は、例えばダイアフラムとピエゾ抵抗素子とを用いた構成である。この圧力検知素子は、媒体からの圧力をダイアフラムで受けて、ダイアフラムの変形によって生じる応力をピエゾ抵抗素子で電気信号に変換することによって圧力値を検知する。ダイアフラムは、センサ部２２の支持部（不図示）の上に変位可能に設けられ、受けた圧力に応じて支持部側に凹型に変形する。圧力検知素子による検知結果は、ボンディングワイヤ５２、５５を経て、２つの回路部２１、２３へそれぞれ出力される。

２つの回路部２１、２３、及び、センサ部２２は、中空のパッケージ３０の内部に実装される。パッケージ３０は、セラミックスで構成することが好ましく、例えば、酸化アルミニウムの焼結体やガラスで構成する。

図２に示すように、パッケージ３０は、上側（Ｚ１側）から見た平面視において矩形状の底壁３１と、底壁３１の４辺からそれぞれ上側へ延びる４つの側壁３２とを備える。図１に示すように、パッケージ３０には、４つの側壁３２で囲まれたキャビティ空間３４が形成されており、その上部は、外側へ開かれた、平面視矩形状の開口部３３とされている。側壁３２の一部には、内側に突出する突出部３２ａ、３２ｂが設けられ、その上面には、ボンディングワイヤ５１、５３、５６がそれぞれ接続されるパッド部（不図示）が設けられている。

回路部２１、２３、及び、センサ部２２は、弾性材料としてのダイボンド樹脂７０を介して、パッケージ３０の底壁３１上に固定されている。ダイボンド樹脂７０は、例えばエポキシ系の接着剤、ゴム材、フッ素系樹脂を用いる。ダイボンド樹脂７０は、超音波洗浄によって与えられる振動を減衰させる振動減衰性を有し、弾性率として、例えば０．２〜１０ＭＰａの範囲とすると、回路部２１、２３、及び、センサ部２２の振動を吸収して減衰させることができるため好ましい。

図１に示すように、パッケージ３０の開口部３３を覆うように側壁３２上に蓋部４０が設けられている。蓋部４０は、パッケージ３０の側壁３２に対応する矩形状の平面形状を備え、例えばシリコンで形成されている。この蓋部４０には、厚み方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に貫通する貫通孔４１が複数設けられており、パッケージ３０のキャビティ空間３４内へ外部から空気を導入できる。これによって、蓋部４０と、回路部２１、２３、及び、センサ部２２との間には空気層が介在し、キャビティ空間３４内を外気圧とすることができることから、センサ部２２によって圧力を正しく検知することができる。

貫通孔４１は水の浸入を抑える程度の内径を有する。例えば、蓋部４０の厚み方向（Ｚ１−Ｚ２）の直交断面において直径２０μｍの円形とすると通気性を有しつつ、水の浸入を防ぐことができる。

貫通孔４１は、例えばシリコン製の蓋部４０をエッチングすることで形成される。エッチングとしてＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ． Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いると、エッチングガスによって貫通孔４１の内壁面にフッ化炭素（例えば、Ｃ_４Ｆ_８）が成膜される。このフッ化炭素は疎水性の機能膜であるため、貫通孔４１は、外部からの水の浸入を抑えることができる非透水性を有するようになる。これによって、貫通孔４１の内径によって水の浸入を防ぐことに加えて、上記エッチングによって非透水性を確実に有するように構成できる。

また、蓋部４０の表面に僅かにＲＩＥを施し、表面にもフッ化炭素の機能膜を形成してもよい。貫通孔４１の形状や数は圧力センサ１０の仕様等に応じて任意に設定できるが、例えば、蓋部４０の平面形状が一辺２．５ｍｍの略矩形状であるときに、蓋部４０の厚み方向（Ｚ１−Ｚ２）の直交断面において直径２０μｍの円形として、縦方向（Ｙ１−Ｙ２方向）と横方向（Ｘ１−Ｘ２方向）に４つずつ合計１６個設けると、非透水性と通気性をバランスよく確保することができる。

このように蓋部４０が非透水性を有することにより、圧力センサ１０を水中に入れても、蓋部の内側に位置するキャビティ空間３４には空気層が形成された状態を維持することができる。空気層の音響インピーダンスは４．３×１０^−４ｋｇｍ^−２ｓ^−１であって、水の音響インピーダンス（１．５ｋｇｍ^−２ｓ^−１）と大きく異なっている。このため、圧力センサ１０を水中に入れて超音波振動を印加したときに、水から空気層への超音波の透過率は０．０６％となり、超音波が蓋部４０側からキャビティ空間３４の内部に侵入することは空気層によって実質的に遮断される。それゆえ、水中の超音波がキャビティ空間３４に侵入してボンディングワイヤ５１〜５６の電気的接続箇所が破損することは、適切に防止されている。

このように、圧力センサ１０を水中に入れて超音波振動を印加したときに、キャビティ空間３４の空気層によって超音波が蓋部４０側から侵入することは防止されるが、キャビティ空間３４を形成するパッケージ３０の水に接する部分からも、パッケージ３０内に超音波が伝播されうる。このパッケージ３０内を伝播する超音波は、ダイボンド樹脂７０を経由して電子部品（回路部２１、２３およびセンサ部２２）に到達する。その程度は、パッケージ３０を構成する材料およびダイボンド樹脂７０を構成する材料などによって変動するが、前者の音響インピーダンスが２０ｋｇｍ^−２ｓ^−１程度であって、後者の音響インピーダンスが１．５ｋｇｍ^−２ｓ^−１程度である場合には、超音波の透過率は２５％程度となる。この超音波が回路部２１、２３やセンサ部２２に接続されているボンディングワイヤに伝播し、ボンディングワイヤの断線が生じることが懸念される。

そこで、本実施形態に係る圧力センサ１０では、図１又は図２に示すように、突出部３２ａと回路部２１はボンディングワイヤ５１によって電気的に接続されており、ボンディングワイヤ５１の両端の接続部は減衰材料６１で覆われている。同様に、回路部２１とセンサ部２２もボンディングワイヤ５２によって電気的に接続され、その両端の接続部が減衰材料６２で覆われている。さらに、図２に示すように、突出部３２ａと回路部２３はボンディングワイヤ５３によって電気的に接続され、その両端の接続部が減衰材料６３で覆われ、２つの回路部２１、２３は２つのボンディングワイヤ５４によって互いに電気的に接続され、それぞれの両端の接続部が減衰材料６４で覆われている。また、センサ部２２と回路部２３はボンディングワイヤ５５によって電気的に接続され、その両端の接続部が減衰材料６５で覆われ、回路部２３と突出部３２ｂは４つのボンディングワイヤ５６によって電気的に接続され、それぞれの両端の接続部が減衰材料６６で覆われている。

減衰材料６１、６２、６３、６４、６５、６６は、超音波洗浄によって与えられた振動を減衰させる振動減衰性を有する。減衰材料６１〜６６は、弾性材料としてのダイボンド樹脂７０とは異なる材料で構成される。さらに、減衰材料６１〜６６は、（１）超音波洗浄において超音波を伝播させる液体、例えば水、及び、（２）パッケージ３０を構成する材料、例えばセラミックス、のいずれよりも振動減衰性が高い材料、すなわち与えられた振動をより減衰させやすい材料で構成され、例えばゴムを用いる。減衰材料６１〜６６は、例えば０．２〜１０ＭＰａの範囲の弾性率を有すると、超音波振動によって与えられた振動を十分に減衰させることができ、これにより、ボンディングワイヤ５１〜５６のそれぞれの両端の接続部分の破損や断線を防止することができる。また、減衰材料６１、６２、６３、６４、６５、６６は、一定の耐熱性を有することが好ましく、線膨張係数として、例えば１０〜３００ｐｐｍ／°Ｃとすると、温度変化による膨張・収縮を抑えることができ、所望の振動減衰性を維持することができる。

なお、ダイボンド樹脂７０は弾性材料から構成されることにより、パッケージ３０に加えられた外部応力が電子部品、特に圧力検知素子（センサ部２２）に伝達されにくく、圧力センサ１０の測定精度の低下を抑えることができる。

以下に変形例について説明する。
図３は第１変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図であり、図１に対応する位置の断面図である。上記実施形態においてはボンディングワイヤ５１〜５６の電子部品（回路部２１、２３及びセンサ部２２）への接続部分を覆うように減衰材料６１〜６６を配設していたが、第１変形例においては、接続部分だけではなく、電子回路の上面（Ｚ１側の表面）全体を覆うように減衰材料をそれぞれ配設している。具体的には、図３に示すように、回路部２１、及び、センサ部２２の上面全体を覆うように、減衰材料１６１、１６２がそれぞれ配設されている。さらに、側壁３２の突出部３２ａの上面全体を覆うように、減衰材料１６０が配設されている。減衰材料１６０、１６１、１６２と蓋部４０との間には空気層が介在している。このように減衰材料１６０〜１６２を電子部品の上面全体に配設することにより、上記実施形態で得られる効果に加えて、上記電子部品に重みを加えることによって振動の抑制効果を高めることができる。

図４は第２変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図であり、図１に対応する位置の断面図である。第２変形例においては、第１変形例の構成に加えて、電子部品間にも減衰材料１７０を配設している。具体的には、図４に示すように、（１）側壁３２の突出部３２ａと回路部２１との間の溝部の底壁３１上、（２）回路部２１とセンサ部２２の間の溝部の底壁３１上、及び、（３）センサ部２２と、センサ部２２に対向する側壁３２との間の溝部の底壁３１上に減衰材料１７０がそれぞれ配設されている。すなわち、電子部品（回路部２１、センサ部２２）の側面とパッケージ３０におけるキャビティ空間３４を形成する内壁とに接するように減衰材料１７０が設けられている。減衰材料１７０と蓋部４０との間には上記実施形態と同様に空気層が介在している。

このような構成により、上記実施形態及び第１変形例で得られる効果のほか、減衰材料１７０によって電子部品（回路部２１、センサ部２２）の周辺を囲むように支持することで電子部品の振動を抑えることができる。また、ボンディングワイヤ５１、５２は、図４に示されるように、電子部品（回路部２１、センサ部２２）に設けられた電極（パッド部、電子部品に接続される箇所）とパッケージ３０に設けられた電極（パッド部）とをつなぐように形成される場合があり、この場合には、上記のように減衰材料１７０が設けられていることにより、外部からの振動（超音波）が電子部品（回路部２１、センサ部２２）に伝播しても、電子部品（回路部２１、センサ部２２）のパッケージ３０に対する相対的な変位が減衰材料１７０によって抑制されるため、電子部品（回路部２１、センサ部２２）とパッケージ３０とにまたがるように配置されるボンディングワイヤ（図４ではボンディングワイヤ５１）の破損をより確実に防止することができる。

図５は第３変形例に係る圧力センサの構成を示す断面図であり、図１に対応する位置の断面図である。第３変形例においては、パッケージ２３０の底壁２３１上にダイボンド樹脂２７１（弾性材料）を介して電子部品２２１が配設され、この電子部品２２１上にダイボンド樹脂２７２（弾性材料）を介して電子部品２２２が配設されている。

パッケージ２３０は、上記実施形態のパッケージ３０と同様の材料によって同様の構成とされ、上側（Ｚ１側）から見た平面視において矩形状の底壁２３１と、底壁２３１の４辺からそれぞれ上側へ延びる４つの側壁２３２とを備える。パッケージ２３０には、４つの側壁２３２で囲まれたキャビティ空間２３４が形成されており、その上部は、外側へ開かれた、平面視矩形状の開口部２３３とされている。側壁２３２の一部には、内側に突出する２つの突出部２３２ａ、２３２ｂが設けられ、その上面には、ボンディングワイヤ２５１、２５４がそれぞれ接続されるパッド部（不図示）が設けられている。

パッケージ２３０の側壁２３２上には、開口部２３３を覆うように蓋部２４０が設けられている。蓋部２４０は、上記実施形態の蓋部４０と同様の材料によって同様の構成を備え、厚み方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に貫通する貫通孔２４１が複数設けられており、パッケージ２３０のキャビティ空間２３４内へ外部から空気を導入できる。

図５に示すように、一方の突出部２３２ａと電子部品２２１はボンディングワイヤ２５１によって電気的に接続され、２つの電子部品２２１、２２２は２つのボンディングワイヤ２５２、２５３によって互いに電気的に接続され、さらに、電子部品２２１と他方の突出部２３２ｂもボンディングワイヤ２５４によって電気的に接続されている。そして、ボンディングワイヤ２５１〜２５４のすべて、２つの電子部品２２１、２２２の上面（Ｚ１側の表面）、及び、突出部２３２ａ、２３２ｂの上面が減衰材料２６０で覆われている。減衰材料２６０と蓋部２４０との間には空気層が介在している。

以上の構成によれば、超音波洗浄による振動は、減衰材料２６０と蓋部２４０の間の空気層によって遮断され、かつ、パッケージ２３０を伝播してボンディングワイヤ２５１〜２５４に到達する超音波の振動は減衰材料２６０によって減衰するため、ボンディングワイヤ２５１〜２５４と各電子部品との電気的接続箇所の破損やボンディングワイヤ２５１〜２５４の断線を防止することができる。また、電子部品２２１、２２２を全面的に覆うことで重みを加えることによって振動を抑えることができる。さらに、減衰材料２６０によって、電子部品２２１、２２２とパッケージ２３０を一体化することによって、パッケージ２３０への固定強度を高めることができる。また、電子部品２２１、２２２を上下方向（Ｚ１−Ｚ２方向）に積層することによって、上下方向に直交する面内における面積を小さくすることができ、圧力センサの小型化を図ることができる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る圧力センサは、超音波洗浄が行われたとしても電気的接続箇所の破損、例えばボンディングワイヤの断線が発生するのを防ぐことができる点で有用である。

１０ 圧力センサ
２１、２３ 回路部
２２ センサ部
３０ パッケージ
３１ 底壁
３２ 側壁
３２ａ、３２ｂ 突出部
３３ 開口部
３４ キャビティ空間
４０ 蓋部
４１ 貫通孔
５１、５２、５３、５４、５５、５６ ボンディングワイヤ
６１、６２、６３、６４、６５、６６ 減衰材料
７０ ダイボンド樹脂（弾性材料）
１６０、１６１、１６２、１７０ 減衰材料
２２１、２２２ 電子部品
２３０ パッケージ
２３１ 底壁
２３２ 側壁
２３２ａ、２３２ｂ 突出部
２３３ 開口部
２３４ キャビティ空間
２４０ 蓋部
２４１ 貫通孔
２５１、２５２、２５３、２５４ ボンディングワイヤ
２６０ 減衰材料
２７１、２７２ ダイボンド樹脂

Claims (5)

1. 圧力検知素子を含む、１つ又は２つ以上の電子部品と、
   開口部を有するキャビティ空間を備えたパッケージと、
   非透水性の貫通孔を有し、前記開口部を覆う蓋部と、
   前記電子部品に接続される、１つ又は２つ以上のボンディングワイヤと、
   与えられた振動を減衰させる振動減衰性を有する減衰材料とを備えた圧力センサであって、
   前記１つ又は２つ以上の電子部品は、前記キャビティ空間の内部に実装され、
   前記減衰材料は、少なくとも前記１つ又は２つ以上のボンディングワイヤが前記電子部品に接続される箇所を覆っており、
   前記電子部品及び前記ボンディングワイヤと、前記蓋部との間に空気層が介在することを特徴とする圧力センサ。
2. 前記パッケージはセラミックスからなる部分を有し、前記減衰材料はゴムである請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記減衰材料は前記電子部品の側面と前記パッケージにおける前記キャビティ空間を形成する内壁とに接するように設けられている請求項１または請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記蓋部はシリコンを有し、前記貫通孔の内壁面にはフッ化炭素が成膜されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記電子部品は、前記減衰材料とは異なる弾性材料を介して前記パッケージに実装されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧力センサ。