JP2020527720A - 圧力センサ構成およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、システムインパッケージとして形成された少なくとも１つの圧力センサ機構（１２）を備えた圧力センサ構成（１０）に関し、この圧力センサ機構（１２）は、空洞を有する支持構造と、空洞内で配置されたセンサ要素（２０）とを備えており、この支持構造は、ランドグリッドアレイ／モールドプレモールド構造（ＬＧＡ／ＭＰＭ）によって形成されており、かつ支持構造の中および／または表面に信号処理要素が組み込まれており、この圧力センサ機構（１２）は、膜（３２）を備えた圧力センサハウジング（３０）内に取り付けられて、圧力センサハウジング（３０）内で突っ張り支持されており、かつ少なくとも１つの膜（３２）を備えた圧力センサハウジング（３０）の残留体積は、非圧縮性流体（Ｆ）で充填されており、ならびに圧力センサハウジング（３０）は、圧力センサ機構（１２）を取り囲んでいる溝（３４）を有しており、この溝（３４）内にパッキンリング（３６）が配置可能である。

Description

本発明は、少なくとも１つの圧力センサ機構を備えた圧力センサ構成および少なくとも１つの圧力センサ機構を備えた圧力センサ構成の製造方法に関する。

マイクロメカニカル加工された電子式圧力センサ（ＭＥＭＳ圧力センサ）を備えた圧力センサ構成が知られており、この圧力センサは、少なくとも１つの変形可能で感圧性の膜を備えており、この膜を典型的には関心のある媒体環境に曝し、そこで圧力を連続的に測定および監視する。これに関し、例えば家電向けの用途での気圧の測定は、（例えば携帯電話の）保護しているハウジング内での安定したセンサモジュールを要求するだけなのに対し、同じ電子式圧力センサが、産業的なまたは自動車向けの用途では、粉塵、粒子、湿気、または排ガスおよびさらなる腐食性のまたは攻撃的な媒体に対する追加的な保護としての隔離媒体（例えばゲルまたは油）と一緒に使用することを必要とする。

このような、ロバスト性のあるモジュールの形成による媒体隔離の課題については、既に例えば米国特許第６３１１５６１号明細書、米国特許第６５７７２４４号明細書、米国特許第６９３８４９０号明細書に記載された解決手法が知られている。

米国特許第６３１１５６１号明細書 米国特許第６５７７２４４号明細書 米国特許第６９３８４９０号明細書

本発明は、システムインパッケージ、ＳｉＰとして形成された少なくとも１つの圧力センサ機構を備えた圧力センサ構成であって、この圧力センサ機構は、空洞を有する支持構造と、空洞内に配置されたセンサ要素とを備えており、この支持構造は、ランドグリッドアレイ／モールドプレモールド（Mold Premold）構造（ＬＧＡ／ＭＰＭ）によって形成されており、かつ支持構造の中および／または表面に信号処理要素が組み込まれており、この圧力センサ機構は、膜を備えたセンサハウジング内に取り付けられて、センサハウジング内で突っ張り支持されており、かつ少なくとも１つの膜を備えたセンサハウジングの残留体積は、非圧縮性流体で充填されており、ならびにこのセンサハウジングは、圧力センサ機構を取り囲んでいる溝を有しており、この溝内にパッキンリングが配置可能である、圧力センサ構成を提供する。

本発明はさらに、システムインパッケージとして形成された少なくとも１つの圧力センサ機構を備えた圧力センサ構成の製造方法であって、
− センサ要素を準備し、かつランドグリッドアレイ／モールドプレモールド構造（ＬＧＡ／ＭＰＭ）によって形成されている支持構造であって、その中および／または表面に少なくとも１つの信号処理要素、とりわけＡＳＩＣが組み込まれている支持構造の空洞内にセンサ要素を配置し、その後、センサ要素を備えた支持構造を圧力センサ機構へと組み込むことにより、圧力センサ機構を製造するステップと、
− 膜と、膜に接している中空空間と、中空空間を取り囲んでおり、パッキンリングを取り付け可能な溝とを備えた圧力センサハウジングを準備するステップと、
− 圧力センサハウジングの中空空間内へ圧力センサ機構を取り付け、圧力センサハウジング内で圧力センサ機構を突っ張り支持するステップと、
− 圧力センサハウジング内に残っている中空空間の残留体積を、非圧縮性流体で充填するステップと、
− 非圧縮性流体で中空空間を封止するステップと、
を有する製造方法を提供する。

したがって本発明を用い、適切に、かつとりわけ単純な手段で、かつ安価に、センサ要素と共に圧力センサ機構へと埋込可能な（ｍｏｌｄｂａｒ）ＬＧＡ／ＭＰＭ支持構造のための、攻撃的な媒体に対する保護が提供される。よってこのセンサ要素は圧力センサ要素であり得る。

上述の圧力センサ構成の場合、圧力センサ機構の要素の大部分、例えばセンサ要素のセンサ膜、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、ならびにその他の受動コンポーネントならびにそのボンディングパッドおよび／またはボンディングワイヤが、１つの同じ面（上面）から、流体バッファ、とりわけオイルバッファ（英語「ｏｉｌ ｂｕｆｆｅｒ」）によって保護されていることが有利である。これによりこれらの要素は、例えば腐食性の液体および気体のような攻撃的な媒体から保護される。

ＬＧＡ／ＭＰＭ−ＳｉＰに圧力が１つの面から、詳細には上面からのみ掛かり、この面で非圧縮性流体もセンサ要素と接触しているように、圧力センサ構成が形作られることが有利である。

この圧力センサ構成は、半導体／ＭＥＭＳの製造およびパッケージングの標準化された機械によって、例えばピックアンドプレース法によって製造することができる。
ＬＧＡ／ＭＰＭ−ＳｉＰが、大きなロットで（ｈｉｇｈ−ｖｏｌｕｍｅ）、圧力センサハウジングに埋め込む前に、圧力センサ構成内では既に調整済みの圧力センサ機構がすぐにまたはいつでも使用可能であるように温度を補正して調節できること、またそれだけでなくこの圧力センサ機構が安価に準備できることが有利であり、なぜならこの調整は、システムインパッケージとしてのＬＧＡ／ＭＰＭ圧力センサ機構に関する公知のパラメータの場合、多くの圧力センサ機構に対して短時間で実施できるからである。これは、この圧力センサ機構が、半導体、とりわけＭＥＭＳモジュールの生産の際および測定モジュールへの半導体、とりわけＭＥＭＳモジュールの組立ての際に一般に用いられる標準的な機械によって製作および処理できるという事情とも関係がある。

この圧力センサ構成は、ファーストレベルパッケージングと呼ぶことができ、溝内に配置されたパッキンリングにより、例えば自動車分野でのセンサに関しては例えば周辺のセカンドレベルパッケージングと、特に良好に結合可能である。

さらなる有利な特徴は従属請求項の対象が包含している。
有利な一変形形態によれば、溝は、圧力センサ機構のわきに配置されている。この溝は、圧力センサハウジングのうち膜が配置されている平面より低い領域に配置されることが特に好ましい。これにより、圧力センサ構成をその完成後に、特に省スペースで、例えば周辺のセカンドレベルパッケージ内に、気密に装入することができる。

別の有利な一変形形態では、センサ要素を、ＬＧＡ／ＭＰＭの予めキャスト加工された空洞内に配置されたＡＰＳＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳ）センサ要素として設け、設定させることができる。このセンサ要素は、ＡＰＳＭプロセス（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｅｍｂｒａｎｅ）で製造されることが有利であり、ＡＰＳＭプロセスでは、後の膜のための単結晶の開始層が生成される。続いてこの開始層が、エッチング法に基づいてアンダーカットされて、多孔質シリコン層が生成され、そこでは後に空洞がある。続いてエピタキシャルに単結晶のシリコン層が施され、このシリコン層が後にセンサ要素膜を形成する。温度負荷（原子変移）により、後に絶対圧力測定を可能にする空洞が真空下で提供される。この場合、膜に施されるピエゾ抵抗が膜のたわみを測定する。このＡＰＳＭプロセスにより、ロバスト性のある膜を提供でき、そのうえこのプロセスは、表面力学的な（oberflaechenmechanisch）加工だけで完成することが有利である。この場合、生じる単結晶の層は完全に密で安定している。しかしセンサ要素を違うやり方で、例えばいわゆるストレスデカップリングされた（stressentkoppelt）センサ要素として形成してもよい。

さらなる有利な一変形形態によれば、膜がスチールまたはプラスチックから形成されている。センサハウジングもプラスチックから形成されることが好ましい。これにより圧力センサ構成を、特にロバスト性で、同時に安価に製造することができる。

さらなる有利な一変形形態によれば、センサハウジングと圧力センサ機構の間の少なくとも１つの継目が、合成樹脂、とりわけエポキシ樹脂および／または接着剤で詰められている。これにより、充填された非圧縮性流体が圧力センサハウジングから再び流れ出ることをさらに良好に防止できる。

センサ要素を攻撃的なおよび／または腐食性の媒体から保護する適切なやり方では、非圧縮性流体を、油として、例えば合成油として形成することができる。その他の非圧縮性の流体または媒体、例えばその他の適切な油の使用も考えられる。

圧力センサハウジングは、さらなる有利な一変形形態によれば、狭い流体充填路を有することができ、この流体充填路は、非圧縮性流体の充填が行われた後、封止球（英語「ｂａｌｌ−ｐｒｅｓｓ ｓｅａｌｉｎｇ」）によって封止されているかまたは封止される。この流体充填路は、圧力センサハウジングの側方の外面で充填口が開いていることが好ましく、かつ好ましい実施形態では、大部分が圧力センサハウジングの膜に平行に延びていることができる。

さらなる特徴および利点に関しては、本発明による圧力センサ構成およびその製造方法についての上記および下記の説明を参照されたい。
上記の形態および変形形態は、有意義であれば、任意に相互に組み合わせてよい。本発明のさらなる可能な形態、変形形態、および実装は、上または下で例示的実施形態に関連して述べている本発明の特徴の、明示的には挙げていない組合せも含んでいる。これに関してはとりわけ、当業者は本発明のそれぞれの基本形態に改善または補充としての個々の態様も付け加えるであろう。

以下に、図中の例示的実施形態に基づいて本発明をより詳しく説明する。

部分的概略図における、圧力センサ機構の断面図である。 部分的概略図における、本発明の一実施形態に基づく製造中の圧力センサ構成の断面図である。 部分的概略図における、本発明の一実施形態に基づく製造中の圧力センサ構成の断面図である。 部分的概略図における、本発明の実施形態に基づく完成した圧力センサ構成の断面図である。 部分的概略図における、本発明のさらなる一実施形態に基づく圧力センサ構成の製造方法を説明するための概略的なフロー図である。

すべての図で、同じまたは同じ機能の要素および装置には、別の記載がない限り同じ符号を付している。
図１では最初に、作製中の圧力センサ機構１２を備えた、全体的に１０で表した圧力センサ構成が認識される。これに関し、抵抗の形態での受動コンポーネント２２が組み込まれたＬＧＡ基材１４が認識できる。ＬＧＡ基材１４は、プラスチックにより、既にＡＳＩＣ２４と共にＬＧＡ／ＭＰＭ支持構造１６へとつなぎ合わされている。支持構造１６を製作する際に空洞１８が空けられており、この空洞１８内に、図１の表示ではＡＰＳＭセンサ要素２０、つまりＡｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳセンサ要素２０が入れられている。センサ要素２０はその接触後に支持構造１６に埋め込まれ、こうして圧力センサ機構１２が提供される。

基材のうち空洞１８に面していない側では、圧力センサ機構１２の電気接触に用いられる金属被覆された接触要素２６が認識できる。
図１は同時に、図５でフロー図により追加的に図解されている圧力センサ構成１０の製造方法の第１のステップＳ０１を説明している。ステップＳ０１では、圧力センサ機構１２が製造され、とりわけ、センサ要素２０を準備し、かつ少なくとも１つの信号処理要素、とりわけＡＳＩＣ２４が中および／または表面に組み込まれた支持構造１６の空洞１８内にセンサ要素２０を配置し、その後、センサ要素２０を備えた支持構造１６を、とりわけ上で図１に関連して詳しく説明したような、さらなる任意選択の特性を有している圧力センサ機構１２へと埋め込むことによって製造される。

図２は、圧力センサ構成１０で使用するための圧力センサハウジング３０の概略的な断面図を示している。
圧力センサハウジング３０は中空空間４０を内包しており、この中空空間４０内には圧力センサ機構１２を、少なくとも、中空空間４０に圧力センサ機構１２を嵌め込んでも接触要素２６に圧力センサハウジング３０の外からアクセス可能であるように挿入できる。

圧力センサハウジング３０は、好ましくはスチールから成る膜３２をさらに備えており、膜３２は、一方では圧力センサハウジング３０の外面に存在しており、他方では中空空間４０を画定している。この膜３２を介して、圧力波が圧力センサハウジング３０の外から中空空間４０内に入射できる。

中空空間４０は、大まかには、第１のチャンバ４１と、第２のチャンバ４２と、流体充填路４３とに区分されるように形成することができる。流体充填路４３は、図２に示しているように、例えば、細長く狭い形状であるように、かつ一方の端部では圧力センサハウジング３０の外面とつながって、もう一方の端部では第１のチャンバ４１と第２のチャンバ４２の間に流体によってつながっているように、配置および形成されている。第１のチャンバ４１は、膜３２の内側に接しており、その一方で第２のチャンバ４２は、圧力センサ機構１２を収容するために形成されている。

中空空間４０を個々のチャンバ４１，４２に区分することは、中空空間４０の体積をできるだけ小さくすることに役立ち、これに関しては同時にａ）中空空間４０内への圧力波の良好な入射を可能にするため、できるだけ大きな膜３２が、できるだけ全体的に中空空間４０と結合しているべきであり、かつｂ）圧力センサ機構１２を収容できるように、中空空間４０内に十分にスペースが提供されているべきである。

流体充填路４３は、圧力センサハウジング３０の側方の外面で充填口が開いていることが好ましく、かつ大部分で、圧力センサハウジング３０の膜３２に平行に延びていることが好ましい。側方の充填口により、流体充填路４３の開口部が、圧力センサ構成１０および圧力センサハウジング３０の上面でスペースをとることがなく、したがって上面全体をできるだけ広範囲に膜３２で占めることができる。これは、圧力センサ構成１０を取り付けるコンポーネントに大きな設計自由度をもたらす。

溝３４は、中空空間４０の側方方向で周りを取り囲むように、圧力センサハウジング３０内に形成されており、溝３４は、パッキンリング３６（Ｏリングとも呼び得る）を収容するために設けられている。溝３４は、圧力センサハウジング３０のうち膜３２が配置されている平面より低い領域に配置されることが好ましく、したがって圧力センサ構成１０をその完成後に、特に省スペースで、例えば周辺のセカンドレベルパッケージ内に、気密に装入することができる。

流体充填路４３の側方の充填口は、圧力センサハウジング３０のうち、溝３４と膜３２の間に配置された円錐形に成形されている区域に配置することができる。
図２は同時に、圧力センサ構成１０を製造するための図５に基づく方法のさらなるステップＳ０２を説明している。ステップＳ０２では、膜３２と、膜３２に隣接する中空空間４０とを有しており、とりわけ上で図２に関連して詳しく説明したようなさらなる任意選択の特性を有している圧力センサハウジング３０が準備される。

図３は、圧力センサ構成１０で使用するための圧力センサハウジング３０の概略的な断面図を示しており、この場合、図１に基づく圧力センサ機構１２が、圧力センサハウジング３０の中空空間４０の第１のチャンバ４１に嵌め込まれて、圧力センサハウジング３０内で突っ張り支持されている。加えて溝３４にはパッキンリング３６が嵌め込まれている。

図３は同時に、図５の圧力センサ構成１０の製造方法のさらなるステップＳ０３を説明している。ステップＳ０３では、圧力センサ機構１２が、膜３２を備えた圧力センサハウジング３０内に取り付けられ、圧力センサハウジング３０内で突っ張り支持される。

図４は、完成した圧力センサ構成１０を示しており、この場合、中空空間４０内には非圧縮性流体Ｆ、とりわけ油が、中空空間４０の残留体積全体が非圧縮性流体Ｆで満たされるように充填されている。これに加え、流体充填路４３が封止球３８によって封止されている。非圧縮性流体は、一方では圧力波を膜３２から第１のチャンバ４１および第２のチャンバ４２を経てセンサ要素２０へと伝達し、他方ではすべてのコンポーネント、とりわけセンサ要素２０を、腐食のような潜在的に有害な環境影響から保護する。

図５は同時に、圧力センサ構成１０を製造するための図５に基づく方法のさらなる２つのステップＳ０４およびＳ０５を説明している。ステップＳ０４では、中空空間４０が非圧縮性流体で充填され、とりわけ、中空空間４０の（圧力センサ機構１２の挿入後に残っている）残留体積が非圧縮性流体、例えば油で充填される。

ステップＳ０４の後に実施されるステップＳ０５では、流体充填路４３が封止球３８（英語「ｂａｌｌ」）により、例えばいわゆるボールプレスシーリングで封止される。
１つまたは複数のさらなるステップでは、圧力センサ機構１２と圧力センサハウジング３０の間の継目を、合成樹脂、例えばエポキシ樹脂（英語「ｅｐｏｘｙ」もしくは「ｅｐｏｘｙ ｒｅｓｉｎ」）および／または接着剤で詰めることができる。

図５は、図１〜図４に基づいて上で説明した方法ステップを分かり易くまとめた概略的なフロー図を示している。
上では本発明を好ましい例示的実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの例示的実施形態に限定されるのではなく、多種多様なやり方で改変することができる。

Claims (10)

1. システムインパッケージとして形成された少なくとも１つの圧力センサ機構（１２）を備えた圧力センサ構成（１０）であって、
   前記圧力センサ機構（１２）が、空洞（１８）を有する支持構造（１６）と、前記空洞（１８）内に配置されたセンサ要素（２０）とを備えており、
   前記支持構造（１６）が、ランドグリッドアレイ／モールドプレモールド構造、ＬＧＡ／ＭＰＭによって形成されており、かつ前記支持構造（１６）の中および／または表面に信号処理要素（２４）が組み込まれており、
   前記圧力センサ機構（１２）が、膜（３２）を備えた圧力センサハウジング（３０）内に取り付けられて、前記圧力センサハウジング（３０）内で突っ張り支持されており、かつ少なくとも１つの膜（３２）を備えた前記圧力センサハウジング（３０）の残留体積が、非圧縮性流体（Ｆ）で充填されており、
   前記圧力センサハウジング（３０）が、前記圧力センサ機構（１２）を取り囲んでいる溝（３４）を有しており、前記溝（３４）内にパッキンリング（３６）が配置可能である圧力センサ構成（１０）。
2. 前記溝（３４）が、前記圧力センサ機構（１２）のわきに配置されている、請求項１に記載の圧力センサ構成（１０）。
3. 前記センサ要素（２０）が、ＡＰＳＭ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｒｏｕｓ Ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳ）センサ要素（２０）として設けられ、設定されている、請求項１または２に記載の圧力センサ構成（１０）。
4. 前記膜（３２）がスチールまたはプラスチックから形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）。
5. 前記圧力センサハウジング（３０）がプラスチックから形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）。
6. 前記圧力センサハウジング（３０）と前記圧力センサ機構（１２）の間の継目が、合成樹脂および／または接着剤で詰められている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）。
7. 前記非圧縮性流体が、油として、とりわけ合成油として形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）。
8. 前記圧力センサハウジング（３０）が狭い流体充填路（４３）を有しており、前記流体充填路（４３）が封止球（３８）によって封止されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）。
9. システムインパッケージとして形成された少なくとも１つの圧力センサ機構（１２）を備えた圧力センサ構成（１０）、とりわけ請求項１〜８のいずれか一項に記載の圧力センサ構成（１０）の製造方法であって、
   − センサ要素（２０）を準備し、かつランドグリッドアレイ／モールドプレモールド構造、ＬＧＡ／ＭＰＭによって形成されている支持構造（１６）であって、その中および／または表面に少なくとも１つの信号処理要素（２４）が組み込まれている前記支持構造（１６）の空洞（１８）内に前記センサ要素（２０）を配置し、その後、前記センサ要素（２０）を備えた前記支持構造（１６）を前記圧力センサ機構（１２）へと組み込むことにより、前記圧力センサ機構（１２）を製造するステップ（Ｓ０１）と、
   − 膜（３２）と、前記膜（３２）に接している中空空間（４０）と、前記中空空間（４０）を取り囲んでおり、パッキンリング（３６）を取り付け可能な溝（３４）とを備えた圧力センサハウジング（３０）を準備するステップ（Ｓ０２）と、
   − 前記圧力センサハウジング（３０）の前記中空空間（４０）内へ前記圧力センサ機構（１２）を取り付け、かつ前記圧力センサハウジング（３０）内で前記圧力センサ機構（１２）を突っ張り支持するステップ（Ｓ０３）と、
   − 前記圧力センサハウジング（３０）内に残っている前記中空空間（４０）の残留体積を、非圧縮性流体（Ｆ）で充填するステップ（Ｓ０４）と、
   − 前記非圧縮性流体（Ｆ）で前記中空空間（４０）を封止するステップ（Ｓ０５）と、
   を有する製造方法。
10. 前記充填するステップ（Ｓ０４）が、前記圧力センサハウジング（３０）内の狭い流体充填路（４３）によって行われ、
    前記中空空間（４０）を前記封止するステップ（Ｓ０５）が、封止球（３８）によって行われる、
    請求項９に記載の方法。

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