JP3621951B2 - センサ・ダイを保護するため気密封止された応力分離プラットフォームを有する圧力センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般に、圧力センサに関し、さらに詳しくは、気密封止された応力分離プラットフォーム（ｓｔｒｅｓｓ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ） によって非友好的な環境から保護された検出ダイを有する電子圧力センサに関する。
【０００２】
１９９６年までに、米国で販売されるすべての自動車および軽トラックに自動車燃料系蒸気圧力センサを装備することを米国連邦政府は規定している。燃料系の石油化学環境は極めて非友好的である。機械的圧力センサは、非友好的な化学環境に対して耐性を有するように製造できることが知られている。しかし、機械的センサは極めて高価であり、ひずみゲージ−ピエゾ・センサを有する大きな金属パッケージによって特徴づけられる。このようなセンサの寸法およびコストは、自動車用途では非実用的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
集積エレクトロニクスのコスト，寸法および信頼性の利点のため、電子センサ技術を自動車用途の石油化学環境に適用することは望ましい。電子圧力センサは、周囲および大気用途で用いられる。しかし、電子圧力センサを石油化学環境で用いることは、この技術に新たな問題を提起する。そのような問題の１つとして、センサに伴う相互接続の健全性がある。電子圧力センサの従来の利用では、センサ・ワイヤボンド，パッケージ・リードおよび検出対象の非友好的な圧力媒体との間で密な接触がありうる。非友好的な薬剤との接触は、センサの永久的な破損を発生することがわかっている。
【０００４】
さらに、電子圧力センサ技術をガスを伴う高圧用途に適用することが望ましい。この場合、センサ・ダイおよび相互接続が脆い性質のため、応力問題が生じて、これにより都合の悪いときにセンサが破損する場合が多い。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
よって、非友好的な環境および圧力環境で利用できる、低コストで信頼性の高い気密封止された圧力センサが必要とされる。
【０００６】
【実施例】
本発明は、広範囲の流体またはガス圧力を検出し、印加圧力を表す電気信号を供給する気密封止された電子圧力センサを提供する。感圧半導体ダイは、同様な熱膨張率を有し、かつプラットフォームとセンサ・ダイとの間で気密封止を行う接着剤を利用して、応力分離（ｓｔｒｅｓｓ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）プラットフォームに取り付けられる。応力分離プラットフォームは、圧力を半導体センサ・ダイに印加するための開口部となる穴入口を含む。この応力分離プラットフォームは、プラスチック・パッケージ本体と応力分離プラットフォームとの間で応力分離および気密封止を行う半硬質接着剤によってパッケージ本体に取り付けられる。その後、センサ・ダイとパッケージ・リードとの間でワイヤボンドを介して電気接続が行われ、パッケージ本体上の外部接続に電気信号を伝達する。
【０００７】
圧力センサ・デバイスは、このデバイスの信頼性または性能に影響を与えずに、センサの部品に対して非友好的と一般に考えられるさまざまな種類の流体およびガスから広範囲な圧力を検出できる。このような非友好的な薬剤の例として、カルシウム，塩素，銅，蒸留水，エチル・アルコール，エチレン・グリコール，蟻酸，油圧液，インドレン（ｉｎｄｏｌｅｎｅ），イソオクタン，メタノール，塩酸ナトリウム，硝酸，硫酸，ｔ−ブチルヒドロペルオキシド（ｔ−ｂｕｔｙｌ ｈｙｄｒｏｐｅｒｏｘｉｄｅ） ，ｔ−ブチルメチルエーテル，トルエン，キシレンおよび亜鉛がある。
【０００８】
図１において、パッケージ本体１６のエッジ部１４の周辺に取り付けられた応力分離プラットフォーム１２を含む圧力センサ１０の上面図を示す。センサ・ダイ１８は、応力分離プラットフォーム１２の下面に取り付けられる。応力分離プラットフォーム１２は、エッジ部１４およびセンサ・ダイ１８が上から見えるように透明に示される。応力分離プラットフォーム１２の中央に配置された穴２０は、外部圧力がセンサ・ダイ１８に達するための開口部となる。センサ・ダイ１８は、穴２０の周りで気密封止するためにガラス・ボンディング接着剤によって応力分離プラットフォーム１２に取り付けられる。センサ・ダイ１８は、穴２０を介して印加される圧力と、パッケージ本体１６の空洞部内の基準圧力との間の圧力差を検出する。センサ・ダイ１８は、検出された圧力を、本体における圧力差を表す電気信号に変換する。
【０００９】
パッケージ本体１６は、ノバラク・エポキシ（ｎｏｖａｌａｃ ｅｐｏｘｙ） から成形され、センサ・ダイ１８のハウジングおよび電気相互接続となる。パッケージ本体１６としての他の可能な材料として、有機エポキシ，非有機物質で埋められたエラストマ，有極性および無極性の化学抵抗を有するセラミックがある。ボンドワイヤ２２，２４，２６，２８は、好ましくは金からなり、従来の集積回路ボンディング方法を利用してセンサ・ダイ１８の下面のアルミニウム・ボンディング・パッドに取り付けられる。ボンドワイヤ２２，２４，２６，２８は、それぞれパッケージ本体の銅リード３０，３２，３４，３６にさらに電気結合される。
【００１０】
応力分離プラットフォーム１２は、センサ・ダイ１８と同様な熱膨張率を有する材料からなる。熱膨張率を整合させることにより応力分離を行う応力分離プラットフォーム１２として適した材料には、ホウケイ酸ガラス，さまざまなグレードのアルミナ，キン青石（ｃｏｒｄｉｅｒｉｔｅ），ステアタイト（ｓｔｅａｔｉｔｅ）がある。応力分離プラットフォーム１２は、ボンディング・ワイヤ２２〜２８と、センサ・ダイ１８の背面上にあるピエゾ圧力検出回路（図１に図示せず）とを非友好的な薬剤から保護するため、パッケージ本体１６の内部空洞部を気密封止する半硬質ボンディング接着剤を利用して、パッケージ本体１６のエッジ部に取り付けられる。また、応力分離プラットフォーム１２は、有極性および無局性の抵抗を有しつつ気密性が維持されるように、無孔性を有していなければならない。応力分離プラットフォーム１２を形成するために用いられる材料は、好ましくは、穴２０を成形または穴開けできる。
【００１１】
図２において、圧力センサ１０の断面図を示す。応力分離プラットフォーム１２とエッジ部１４との間の熱接着剤４０は、パッケージ本体１６の独立した熱膨張を許すことにより応力分離を行い、有極性および無極性の化学抵抗を与える。熱膨張率を整合させることにより応力分離を行う接着剤４０のための適切な材料には、硬質および半硬質エポキシおよびエラストマがある。センサ・ダイ１８は、周辺部にガラス・ボンディング接着剤４２を用いて、応力分離プラットフォーム１２の下面に取り付けられる。接着剤４２は、応力分離プラットフォーム１２とセンサ・ダイ１８との間で気密封止および応力整合を維持するために、無孔性を有していなければならない。接着剤４２は、好ましくは、有極性および無極性の化学抵抗を有しつつセンサ・ダイ１８および応力分離プラットフォーム１２と同じ熱膨張率を有するチタン酸塩ガラスや、さまざまなグレードのほう酸鉛ガラスなどの材料である。
【００１２】
図２のボンドワイヤ２６は、センサ・ダイ１８の背面上の従来のボンド・パッドと、パッケージ本体のリード３４との間で結合される。パッケージ本体１６の背面は、圧力センサ１０の内部空洞部に解放された圧力入口４８を含む。一般に、圧力入口４８は、外部基準圧力源に接続される。外部ゲージ圧力は、センサ・ダイ１８の背面に対して印加され、穴２０を介して印加された圧力と入口４８に入る圧力との間の圧力差を測定する。
【００１３】
図３は、センサ・ダイ１８のさらに詳細な図を示す。センサ・ダイ１８は、トランスデューサ・ダイアフラム５０を設けるため一方の面が精密加工されたシリコンからなる。ピエゾ圧力検出回路５２は、センサ・ダイ１８の下面に形成される。トランスデューサ・ダイアフラム５０は、流体またはガスの圧力差が印加されるとたわみ、ピエゾ回路５２の抵抗膜を変化させ、その結果、それぞれの抵抗に流れる電流に変化が生じる。電流タップ点または電気接続は、ピエゾ回路５２の抵抗経路に沿って形成される。電気接続は、ボンドワイヤ２２〜２８の取り付け点と、従来のボンディング・パッドのセンサ・ダイ１８との接合部で定められる。電流の変化は、ピエゾ回路５２の電流タップにおける電位差として現れる。電流タップは、ボンドワイヤ２２〜２８を介して電気パッケージ本体のリード３０〜３６にそれぞれ電気結合される。
【００１４】
ピエゾ回路５２は、打ち込み（ｉｍｐｌａｎｔｅｄ） トランスデューサ，被着された薄膜抵抗，蒸着されたメタライゼーションおよびアルミニウム蒸着されたボンディング・パッドによって構成される。トランスデューサ，抵抗およびボンディング・パッドは、アルミニウム・メタライゼーションを利用して相互接続される。ピエゾ回路５２の機能は、印加された圧力差に応答してトランスデューサ・ダイアフラム５０のたわみを検出し、２つのパッケージ本体リード間で印加された電圧によって生じる直流電流について印加される圧力差の関数として可変抵抗経路を与えることである。
【００１５】
本発明の主要な特徴は、ピエゾ回路５２およびボンドワイヤ２２〜２８ならびに関連するボンディング・パッドを、穴２０から導入される非友好的な薬剤から保護することである。接着剤４０を用いるエッジ部１４と応力分離プラットフォーム１２との間の気密封止と、接着剤４２を用いるセンサ・ダイ１８と応力分離プラットフォーム１２との間の気密封止とは、ピエゾ回路５２およびボンドワイヤ２２〜２８のために必要な分離を行う。穴２０に入る非友好的な薬剤はダイアフラム５０に接触して、ピエゾ回路５２に圧力を加え、上記のような電気信号を生成するが、傷つきやすい相互接続からは気密封止によって隔離される。
【００１６】
図４において、共通のゲージ圧力入口５６を有するデュアル・パッケージ圧力センサとして、本発明の別の実施例を示す。同じ参照番号の部品は、図１〜図３で説明したのと同様な機能を果たす。この圧力センサ・パッケージは、２つの完成された背面結合（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）センサ・ダイ１８，６０を含む。センサ・ダイ６０は、センサ・ダイ１８について説明したように構成され動作する。入口５６は、両方のセンサ１８，６０に共通の外部圧力を与える。各センサ・ダイ１８，６０は、内部空洞部における共通ゲージ圧力と、それぞれの穴２０，６２に印加される圧力との間の圧力差を測定する。センサ・ダイ１８は、前述のようにボンディング・ワイヤ２６を介してパッケージ・リード３４に結合される。センサ・ダイ６０は、ボンディング・ワイヤ６４を介してパッケージ・リード６６に結合され、センサ・ダイ６０における圧力差の測定値を与える。
【００１７】
以上、圧力センサは、ピエゾ回路および相互接続を厳しい条件から保護するために、パッケージに気密封止された応力分離プラットフォームを含む。圧力センサ・パッケージは、燃料系，油圧系，冷却／加熱系などアグレッシブな蒸気および液体薬剤，有極性，無極性またはその組合せでもよい薬剤を含む多くの非友好的な環境で、電子圧力検出ダイを保護する。センサ・ダイおよび応力分離プラットフォームと同じ熱膨張率を有するガラス・ボンディング接着剤は、応力分離プラットフォームとセンサ・ダイとの間で気密封止および応力整合を行う。応力分離プラットフォームにおける穴は、圧力源がセンサ・ダイに達することを可能にする。圧力センサ・パッケージは、圧力差を確立するため内部空洞部に達するための入口を含む。あるいは、センサ・パッケージは、入口を介して内部空洞部に印加される共通ゲージ圧力を共用する複数のセンサ・ダイを含んでもよい。
【００１８】
本発明の特定の実施例について図説してきたが、更なる修正や改善は当業者に想起される。本発明は図示の特定の形式に限定されず、特許請求の範囲は本発明の精神および範囲から逸脱しない一切の修正を網羅するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】気密封止された電子圧力センサの上面図である。
【図２】図１の電子圧力センサの断面図である。
【図３】図２のセンサ・ダイの詳細を示す図である。
【図４】共通のゲージ圧力を受ける背面結合（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）圧力センサを有する別の実施例である。
【符号の説明】
１０ 圧力センサ
１２ 応力分離プラットフォーム
１４ エッジ部
１６ パッケージ本体
１８ センサ・ダイ
２０ 穴
２２，２４，２６，２８ ボンドワイヤ
３０ ３２ ３４ ３６ 銅リード
４０ 熱接着剤
４２ ガラス・ボンディング接着剤
４８ 圧力入口
５０ トランスデューサ・ダイアフラム
５２ ピエゾ圧力検出回路
５６ ゲージ圧力入口
６０ センサ・ダイ
６２ 穴
６４ ボンディング・ワイヤ
６６ パッケージ・リード

Claims (3)

1. 第１圧力を受ける開口部（２０）を有する応力分離プラットフォーム（１２）；
   前記応力プラットフォームの前記開口部から前記第１圧力を受けるため、第１接着剤（４２）によって前記応力分離プラットフォームに取り付けられたセンサ・ダイ（１８）と、前記センサ・ダイ、応力分離プラットフォーム及び第１接着剤は同一の熱膨張率を有していることと、
   パッケージ本体の内部空洞部内にある前記センサ・ダイを保護するために封止をする第２接着剤によって、前記応力分離プラットフォームを取り付けるためのエッジ部を有するパッケージ本体（１６）と、前記エッジ部はパッケージ本体の内部空洞部内において、空洞部内壁の上下両端から離間した位置に形成されていることと
   によって構成されることを特徴とする圧力センサ。
2. 第１圧力を受ける開口部を有する応力分離プラットフォーム（１２）を設ける段階；
   前記第１圧力を受けるため、前記応力分離プラットフォームの前記開口部上に、同応力分離プラットフォームと熱膨張率が等しい第１接着剤（４２）によって同じく応力分離プラットフォームと熱膨張率が等しいセンサ・ダイ（１８）を取り付ける段階；およびパッケージ本体（１６）の内部空洞部にある前記センサ・ダイを保護するために封止をする第２接着剤により、前記パッケージ本体の内部空洞部内において、空洞部内壁の上下両端から離間した位置に形成されたパッケージ本体のエッジ部に前記応力分離プラットフォームを取り付ける段階；
   によって構成されることを特徴とする圧力センサを封止する方法。
3. 第１圧力及び第２圧力との間の圧力差を検出するため、第１および第２表面を有する第１センサ・ダイ（１８）；
   前記第１の圧力を受けるための開口（２０）を備え、同開口から第１圧力を受けるべく、前記第１センサ・ダイ（１８）が第１接着剤（４２）により取り付けられた第１応力分離プラットフォーム（１２）と、前記第１センサ・ダイ、前記第１応力分離プラットフォーム及び第１接着剤は同一の熱膨張率を有することと、
   第２圧力及び第３圧力との間の圧力差を検出するため、第１および第２表面を有する第２センサ・ダイ（６０）；
   前記第３圧力を受けるための開口（６２）を備え、前記第２応力分離プラットフォーム
   の開口から第２圧力を受けるべく、前記第２センサ・ダイ（６０）が第２接着剤により取り付けられた第２応力分離プラットフォームと、前記第２センサ・ダイ、前記第２応力分離プラットフォーム及び第２接着剤は同一の熱膨張率を有することと、および
   前記第１圧力および第３圧力をそれぞれ受ける第１開口部および第２開口部を有する、第１センサ・ダイおよび第２センサ・ダイを取り付けるために内部空洞部内において、空洞部内壁の上下両端から離間した位置に第１エッジおよび第２エッジを備えたパッケージ本体（５６）であって、前記第２圧力を受ける第３開口部をさらに含むパッケージ本体（５６）；
   によって構成されることを特徴とする圧力センサ。

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