JP3832360B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一端部側に電子素子が搭載された樹脂からなるケース部に、金属ターミナルを貫通させ、ケース部の一端側から露出するターミナルの一端部と電子素子とをワイヤにて電気的に接続してなる電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の一般的な電子装置としての半導体装置を図８に示す。図８中、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。このものは、電子素子として例えば半導体ダイアフラムタイプのセンサ素子３０を備え、大気圧センサとして適用される圧力センサである。
【０００３】
図８に示すように、この圧力センサは、型成形された樹脂からなるケース部１０と、一端部２１と他端部２２とが露出するようにケース部１０を貫通する金属からなる複数本のターミナル２０と、ケース部１０の一端側にケース部１０から露出した状態で搭載されたセンサ素子３０と、センサ素子３０と各々のターミナル２０の一端部２１とを電気的に接続するワイヤ５０とを備える。
【０００４】
この圧力センサは、大気中に面するセンサ素子３０が大気圧を受圧し、センサ素子３０から出力される電気信号に基づいて大気圧を検出するものである。この電気信号は、センサ素子３０からワイヤ５０を介してターミナル２０の他端部２２に伝わり、外部に出力されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図８に示すような電子装置においては、使用環境にて温度の上昇および下降といった熱サイクルが繰り返された場合、ケース部１０を構成する樹脂が熱によって膨張、収縮する。
【０００６】
ここで、ケース部１０を構成する樹脂の熱膨張係数が大きいが故に、このケース部１０の膨張、収縮の度合も大きい。そのため、このケース部１０の膨張、収縮に伴って、ターミナル２０も、図８中の矢印Ｙに示すように素子実装面と平行な方向へ大きく変位し、それによって、ワイヤ５０が疲労して破壊に至るという問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、熱サイクルによるターミナルの変位を低減し、ワイヤの疲労破壊を抑制できるようにすることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、樹脂からなるケース部（１０）と、一端部（２１）と他端部（２２）とがケース部から露出するようにケース部を貫通する金属からなるターミナル（２０）と、ケース部の一端側にケース部から露出した状態で搭載された電子素子（３０）と、電子素子とターミナルの一端部とを電気的に接続するワイヤ（５０）とを備え、ケース部の内部のうち各々のターミナルの間には、ケース部を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料からなる緩衝部材（６０）が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
それによれば、ケース部の内部のうち各々のターミナルの間に、ケース部を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料からなる緩衝部材を設けているため、この緩衝部材によって、複数本のターミナルの間におけるケース部の熱サイクルによる膨張、収縮が低減される。
【００１０】
したがって、本発明によれば、従来に比べて、熱サイクルによるターミナルの変位を低減することができ、その結果、ワイヤの疲労破壊を抑制することができる。
【００１１】
また、請求項１に記載の発明では、各々のターミナル同士の間において、当該間の中心までの距離をＬとしたとき、緩衝部材は、当該間の中心からターミナルに向かって０．９Ｌ以上の距離の範囲にて設けられていることを特徴とする。
【００１２】
本発明のような距離の範囲にて、緩衝部材をターミナルに近接させることにより、従来に比べて、熱サイクルによるターミナルの変位を大幅に低減することができ、好ましい。
【００１７】
なお、上記した緩衝部材（６０）は、請求項２に記載の発明のように、ケース部を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料として金属もしくはセラミックからなるものにできる。
【００１８】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態相互において互いに同一部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る電子装置としての圧力センサＳ１を示す構成図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【００２１】
ケース部１０は、圧力センサＳ１の本体を区画形成するものであり、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の熱可塑性樹脂の射出成形あるいはエポキシ等の熱硬化性樹脂のモールド成形によって作られた成形体である。
【００２２】
ケース部１０には、例えば金めっきまたはすずめっきが施された真鍮等の金属からなる少なくとも２本以上のターミナル２０がインサート成形されている。本例では、ターミナル２０は４本設けられており、各ターミナル２０は、その一端部２１と他端部２２とがケース部１０から露出するように、ケース部１０を貫通している。
【００２３】
ここで、ケース部１０の一端側には凹部１１が形成されており、この凹部１１内には、電子素子としての圧力検出用のセンサ素子３０がケース部１０から露出した形で搭載されている。また、ケース部１０の他端側は外部と接続されるコネクタ部１２として構成されている。そして、各ターミナルの一端部２１は凹部１１内に露出し、他端部２２はコネクタ部１２内にに露出している。
【００２４】
センサ素子３０は、例えばダイアフラム式の半導体圧力センサ素子であり、ケース部１０における素子実装面としての凹部１１の底面に対して、シリコーン系樹脂等からなる接着剤４０によって接合されている。そして、センサ素子３０の表面に形成された電極と各ターミナル２０の一端部２１とが、金やアルミ等のボンディングワイヤ５０によって結線され電気的に接続されている。
【００２５】
このような圧力センサＳ１は例えば大気圧センサとして適用され、センサ素子３０がその表面にて大気圧を受圧し、受圧された圧力に基づく信号がセンサ素子３０から出力され、この出力信号がワイヤ５０、ターミナル２０を介して、外部に出力されるようになっている。
【００２６】
ここで、ケース部１０の内部のうちターミナル２０の近傍には、ケース部１０を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料からなる緩衝部材６０が設けられている。本実施形態では、緩衝部材６０は、各々のターミナル２０同士の間および個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間に設けられている。
【００２７】
この緩衝部材６０は、アルミナ等のセラミックや金属等の樹脂よりも低熱膨張係数の材料を用いて型成形や切削加工等により作られたもので、ケース部１０の内部にインサート成形されている。本例では、緩衝部材６０は円盤状をなし、各ターミナル２０に対応した部位に、各ターミナル２０が貫通するための貫通穴６１が形成されている。
【００２８】
また、緩衝部材６０の外周部には、ケース部１０を構成する樹脂によって緩衝部材６０をモールドする際に、金型に固定するための穴部６２が設けられている。この穴部６２に金型の一部が挿入されて、緩衝部材６０は金型内に支持された形でセットできるようになっている。
【００２９】
なお、図示例では、緩衝部材６０がケース部１０に埋没しているが、緩衝部材６０の一部がケース部１０から露出していてもかまわない。
【００３０】
また、図には現れていないが、緩衝部材６０とケース部１０の樹脂との密着性を向上させるため、必要に応じて緩衝部材６０の表面に凹凸加工を追加しておくことが望ましい。具体的には、緩衝部材６０を作る型の内面を粗くしたり、緩衝部材６０の表面にショットブラスト等の処理を施すことで可能である。
【００３１】
このような圧力センサＳ１の製造方法は、例えば、次のようにして行うことができる。金型内に緩衝部材６０およびターミナル２０を設置した後、樹脂を注入し硬化させることでケース部１０を成形する。そして、接着剤４０を介してセンサ素子３０をケース部１０の凹部１１に搭載した後、ワイヤボンディング等を行うことによりワイヤ５０を形成する。こうして、圧力センサＳ１を製造することができる。
【００３２】
ところで、本実施形態によれば、ケース部１０の内部のうちターミナル２０の近傍に、ケース部１０を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料からなる緩衝部材６０を設けているため、この緩衝部材６０によって、ターミナル２０の近傍部におけるケース部１０の熱サイクルによる膨張、収縮が低減される。
【００３３】
具体的には、温度が下降したとき、ケース部１０を構成する樹脂は収縮し、各ターミナル２０は、ケース部１０の中心に向かう方向へ引っ張られる。すなわち、各ターミナル２０は、ターミナル２０同士の間の距離が狭くなるように、素子実装面である凹部１３の底面に平行な方向へ変位する。
【００３４】
一方、温度が上昇したとき、ケース部１０を構成する樹脂は膨張し、各ターミナル２０は、ケース部１０の外側に向かう方向へ引っ張られる。すなわち、各ターミナル２０は、ターミナル２０同士の間の距離が広くなるように、素子実装面に平行な方向へ変位する。
【００３５】
このような熱サイクルによるターミナル２０の変位に対して、本実施形態では、まず、ケース部１０の内部のうち各々のターミナル２０同士の間に緩衝部材６０を配置させることにより、ターミナル２０の内側の樹脂の膨張および収縮が抑制される。また、個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間にも、緩衝部材６０を配置させることにより、ターミナル２０の外側の樹脂の膨張および収縮が抑制される。
【００３６】
そのため、本実施形態では、緩衝部材６０によって、各ターミナル６０同士の間、または、個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間における熱サイクルによるケース部１０の膨張、収縮が低減される。その結果、従来に比べて、熱サイクルによる素子実装面と平行な方向へのターミナルの変位を低減することができる。
【００３７】
したがって、本実施形態によれば、従来問題とされてきた環境温度の上昇・下降の繰り返しによるワイヤの疲労を大幅に低減することができ、その結果、ワイヤの疲労破壊を抑制することができる。
【００３８】
また、緩衝部材６０は、ケース部１０の内部のうちターミナル２０に近いほど、ターミナルの変位低減効果は大きい。
【００３９】
具体的には、図２に示すように、各々のターミナル２０同士の間または個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間において、当該間の中心Ｋ、Ｋ’までの距離すなわち当該間の距離の半分の距離をＬとしたとき、緩衝部材６０は、当該間の中心Ｋ、Ｋ’からターミナル２０に向かって０．９Ｌ以上の距離の範囲にて設けられていることが好ましい。
【００４０】
このことは、逆に言えば、各々のターミナル２０同士の間または個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間にて、当該間の中心からターミナル２０の近傍まで緩衝部材６０を配置させるときに、緩衝部材６０とターミナル２０との距離が０．１Ｌ以下となるようにすることである。
【００４１】
このようなターミナル２０と緩衝部材６０との好ましい距離関係の採用による具体的な効果を説明する。ここでは、ターミナル２０同士の間に配置された緩衝部材６０についての例として述べるが、ターミナル２０とケース部１０の外周面との間に緩衝部材６０を配置した場合も同様の傾向を示すことを確認している。
【００４２】
使用環境により、温度が上昇、下降した場合、樹脂は熱膨張、収縮を起こす。一般的に樹脂の線膨張係数αは金属やセラミック等のそれよりも大きく、例えば鉄が約１２×１０-6（１／℃）、アルミナ等のセラミックが約４×１０-6（１／℃）であるのに対し、ＰＢＴが約１００×１０-6（１／℃）、ＰＰＳが約３０×１０-6（１／℃）と、数倍ないし数十倍の大きさである。
【００４３】
まず、従来の電子部品において、上記のような熱膨張、収縮が起こった場合を考える。図３は上記図８に示した従来の圧力センサにおけるセンサ素子３０の周辺部分の断面図である。図３に示すように、従来の圧力センサにおいても、上記距離Ｌを用い、温度変化ΔＴ＝１００℃、ケース部１０の樹脂の材質をＰＢＴとすると、センサ素子３０の搭載面（実装面）上でのターミナル２０の変位ΔＬは、次の数式１にて表される。
【００４４】
【数１】
ΔＬ＝Ｌ×α×ΔＴ＝Ｌ×（１００×１０-6）×１００＝０．０１Ｌ
この数式１から、従来品においては、ターミナル２０同士の間の中心Ｋからの距離Ｌの寸法変化が１％になることがわかる。
【００４５】
次に、上記図２に示す本実施形態の場合では、緩衝部材６０とターミナル２０の距離を０．１Ｌとし、ケース部１０の樹脂の材質をＰＢＴ、緩衝部材の材質をアルミナに設定すると、上記ターミナル２０の変位ΔＬは、次の数式２にて表される。
【００４６】
【数２】
Figure 0003832360
この数式２から、本実施形態では、緩衝部材６０とターミナル２０との距離を０．１Ｌとなるようにすることで、ターミナル２０同士の間の中心からの距離Ｌの寸法変化が０．１３６％となり、上記従来品に比べて７分の１以下となることがわかる。
【００４７】
また、図４は、本実施形態の圧力センサＳ１と、上記図８に示した従来品としての圧力センサとについて、冷熱サイクル試験を行い、ワイヤ５０の引っ張り強度の変化を調べた結果を示す図である。ケース部１０の樹脂としてＰＰＳ、緩衝部材６０としてアルミナ、ワイヤ５０としてφ３０μｍのアルミ線を用い、冷熱サイクルの試験条件は、−３０℃、１時間と−１２０℃、１時間とで１サイクルとした。
【００４８】
図４では、横軸にサイクル数、縦軸にワイヤ引っ張り強度（ｍＮ）をとり、本実施形態を黒四角プロット、従来品を白四角プロットにて示した。この結果から、従来品に比べ本実施形態では、ワイヤ５０における疲労による強度の低下が抑えられ、寿命が延びていることがわかる。
【００４９】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態に係る電子装置としての圧力センサＳ２を示す構成図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【００５０】
上記第１実施形態では、各ターミナル２０を囲むように緩衝部材６０が配置されていたが、本実施形態では、緩衝部材６０を、各ターミナル２０の内側に位置する樹脂内のみ、すなわち各々のターミナル２０同士の間のみに配置した。この場合、緩衝部材６０は円柱形状であり、その両端部に金型固定用の穴部６２が設けられている。
【００５１】
本実施形態によっても、従来に比べて、熱サイクルによる素子実装面と平行な方向へのターミナルの変位を低減することができ、その結果、ワイヤの疲労破壊を抑制することができる。
【００５２】
なお、上記第１実施形態と比較した場合、温度下降によるケース部１０の収縮すなわちターミナル２０の内側に向かっての変位は、緩衝部材６０により抑制されることは同様であるが、温度上昇の場合は、ターミナル２０の近傍および外側の樹脂の膨張により、ターミナル２０がその外側に引っ張られるため、ターミナル０の外側方向への変位は第１実施形態に比べ大きい。
【００５３】
しかしながら、本実施形態では、緩衝部材６０の形状を第１実施形態に比べて簡略化することができるため、コストダウンを図ることができる。また、本実施形態の緩衝部材６０においても、第１実施形態に示したターミナル２０と緩衝部材６０との好ましい距離関係を採用することができる。
【００５４】
（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る電子装置としての圧力センサＳ３を示す構成図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【００５５】
本実施形態では、緩衝部材６０を、各ターミナル２０の祖手側に位置する樹脂内のみ、すなわち個々のターミナル２０とケース部１０の外周面との間のみに配置した。この場合、緩衝部材６０はドーナツリング状であり、そのリング部に金型固定用の穴部６２が設けられている。
【００５６】
本実施形態によっても、従来に比べて、熱サイクルによる素子実装面と平行な方向へのターミナルの変位を低減することができ、その結果、ワイヤの疲労破壊を抑制することができる。
【００５７】
なお、上記第１実施形態と比較した場合、温度上昇によるケース部１０の膨張すなわちターミナル２０の外側に向かっての変位は、緩衝部材６０により抑制されることは同様であるが、温度下降の場合は、ターミナル２おの近傍および外側の樹脂の収縮により、ターミナル２０がその内側に引っ張られるため、ターミナル２０の内側方向への変位は第１実施形態に比べ大きい。
【００５８】
しかしながら、本実施形態においても、緩衝部材６０の形状を第１実施形態に比べて簡略化することができるため、コストダウンを図ることができる。また、本実施形態の緩衝部材６０においても、第１実施形態に示したターミナル２０と緩衝部材６０との好ましい距離関係を採用することができる。
【００５９】
（第４実施形態）
図７は、本発明の第４実施形態に係る電子装置としての圧力センサＳ４を示す構成図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。
【００６０】
上記第１実施形態では、ターミナル２０のケース部１０を貫通する方向は、ケース部１０における素子実装面とこれに対向する反対側の面とが隔てられた方向であったが、本実施形態では、デュアルインラインパッケージ等のように、素子実装面と平行な方向にターミナル２０を引きだしている。
【００６１】
本実施形態においても、ケース部１０の内部のうちターミナル２０の近傍に、緩衝部材６０を設けているため、この緩衝部材６０によって、ターミナル近傍部におけるケース部１０の熱サイクルによる膨張、収縮が低減される。そのため、従来に比べて、熱サイクルによるターミナル１０の変位を低減することができ、その結果、ワイヤ５０の疲労破壊を抑制することができる。
【００６２】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、緩衝部材６０とターミナル２０との間は、ケース部１０を構成する樹脂によって完全に隔てられているが、緩衝部材６０がセラミック等の絶縁体であれば、緩衝部材６０とターミナル２０の一部あるいは全部が接触していてもかまわない。
【００６３】
また、ターミナル２０は１本でも良い。また、本発明は、圧力センサ以外にも、例えばガスセンサ、フローセンサ、赤外線センサ等の電子装置にも適用することができる。また、電子素子としては、半導体素子以外にも、ターミナルとワイヤボンディングされるような電子部品、回路基板等であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る圧力センサを示す構成図である。
【図２】ターミナルと緩衝部材との距離関係を示す図である。
【図３】従来の圧力センサにおけるセンサ素子周辺部分の断面図である。
【図４】第１実施形態の圧力センサと従来品としての圧力センサとについて、冷熱サイクル試験を行い、ワイヤ引っ張り強度の変化を調べた結果を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る圧力センサを示す構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る圧力センサを示す構成図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る圧力センサを示す構成図である。
【図８】従来の一般的な電子装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１０…ケース部、２０…ターミナル、２１…ターミナルの一端部、２２…ターミナルの他端部、３０…センサ素子、５０…ワイヤ、６０…緩衝部材。

Claims (2)

  1. 樹脂からなるケース部（１０）と、
    一端部（２１）と他端部（２２）とが前記ケース部から露出するように前記ケース部を貫通する金属からなる複数本のターミナル（２０）と、
    前記ケース部の一端側に前記ケース部から露出した状態で搭載された電子素子（３０）と、
    前記電子素子と前記ターミナルの一端部とを電気的に接続するワイヤ（５０）とを備え、
    前記ケース部の内部のうち各々の前記ターミナル同士の間には、前記ケース部の内部のうち前記ターミナルの近傍には、前記ケース部を構成する樹脂よりも熱膨張係数の小さい材料からなる緩衝部材（６０）が設けられており、
    各々の前記ターミナル同士の間において、当該間の中心までの距離をＬとしたとき、前記緩衝部材は、当該間の中心から前記ターミナルに向かって０．９Ｌ以上の距離の範囲にて設けられていることを特徴とする電子装置。
  2. 前記緩衝部材（６０）は金属もしくはセラミックからなることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
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