JP4111157B2 - 圧力センサ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサに関するものである。

従来、ワイヤボンディングによる圧力センサチップからの電極引き出し法がある。具体例を、図１２を用いて説明する。ベース部材１００の上面に凹部１０１，１０２が形成され、凹部１０１内においてガラス台座１０３に接合された圧力センサチップ１０４が配置されている。ベース部材１００には接続端子１０５が埋設され、その一部が凹部１０２内に露出している。凹部１０２内には接続端子１０５を保護するためのゲル１０７が充填されている。圧力センサチップ１０４と接続端子１０５がボンディングワイヤ１０６により電気的に接続されている。このワイヤ１０６は樹脂１１０にて被覆されている。この技術は、汎用的技術であり、実績の高い技術である。

また、腐食性の強い流体の圧力を検出する圧力センサの構造として、特許文献１においては、圧力センサチップをワイヤボンディングでターミナルピンに接続し、センサチップ、ワイヤおよびターミナルピンをオイル中に入れ、耐食性のあるメタルダイアフラムで封止した構造を採用している。
特許第３１９８７７９号公報

しかしながら、図１２のセンサチップ１０４のボンディングパッドがアルミよりなることから、アルミ面が露出するため、酸雰囲気など厳しい環境下ではパッドの腐食による導通不良を招くという問題が生じている。

近年、耐環境性というニーズがある。このため、前述の特許文献１のように、メタルダイアフラムを用いた腐食防止法が既になされているが、小型での実装はできていない。また、図１２の接続端子１０５の露出部においても腐食による封止性低下などが懸念されている。

本発明は、上記課題に着目してなされたものであり、その目的は、耐食性に優れるとともに小型化を図ることができる圧力センサを提供することにある。

請求項１〜６に記載の圧力センサによれば、圧力センサチップのパッドおよび接続端子の露出部が配線と接合され、この接合部（電気的接続部）が樹脂材で封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、圧力センサチップのパッドと接続端子とが配線基板にて接続されるので、ボンディングワイヤを用いずに電気的に接続することができ小型化できる。

また、樹脂材は、配線と圧力センサチップのパッド、および、配線と接続端子の露出部を接合するためのビアホールを具備していると、容易に接合することができる。

請求項１に記載のように、樹脂材は熱可塑性樹脂であり、当該樹脂材を圧力センサチップおよびベース部材に熱圧着すると、樹脂材を容易に圧力センサチップおよびベース部材に接着することができる。

請求項２に記載のように、配線基板を絶縁性接着剤を介して圧力センサチップおよびベース部材に接着すると、接着剤の選択にてより強固に接着することが可能となる。

請求項３に記載のように、請求項２に記載の圧力センサにおいて絶縁性接着剤がエポキシ系もしくはポリオレフィン系であるとよい。
請求項４に記載のように、請求項１に記載の圧力センサにおいて圧力センサチップのパッドおよび接続端子の露出部が異方性導電性接着剤を介して配線と電気的に接続されるとともに、この異方性導電性接着剤を介して電気的に接続した部分が樹脂材で封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、接続端子と圧力センサチップのパッドとが配線基板にて接続されるので、ボンディングワイヤを用いずに電気的に接続することができ小型化できる。

請求項５に記載のように、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサにおいて圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであると、実用上より好ましい仕様形態となる。
請求項６に記載のように、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサにおいてｐＨ４以下の結露水に曝される環境下で使用されるものであると、より効果が発揮される。

（第１の実施の形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における圧力センサの縦断面図を示す。本圧力センサは車載エンジンの排気系部品に設けられ、排気ガスの圧力を検出するセンサである。つまり、圧力検出対象の流体（圧力媒体）がエンジンの排気ガスである。より具体的には、例えば、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）における排気ガス再循環経路での圧力測定のために用いられる。

図１においてベース部材としての樹脂製ベースプレート１の上面に凹部２，３が形成され、凹部２の底面に凹部４が形成されている。凹部４内に圧力センサチップ１０が配置されている。また、凹部３にはＯリング６が配置されている。ベースプレート１の上面側はカバー５にて塞がれ、カバー５を通してベースプレート１の上面に排気ガス圧が印加される。

圧力検出対象の流体がエンジンの排気ガスである場合、結露水のｐＨが４以下となり、センサの使用環境としてはｐＨ４以下の環境となり、アルミパッドの腐食は急速に進む。
図１における凹部２内での平面図（図１のＡ矢視図）を図２に示す。図２におけるＡ−Ａ線での縦断面を図３に示す。

図２，３において、ベースプレート１の凹部４内において、圧力センサチップ１０がガラス台座１８の上面に接合された状態で配置され、ガラス台座１８は凹部４の底面に接着剤２３により固定されている。ベース部材としてのベースプレート１には、接続端子（ピン）２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが、一部が露出する状態で埋設されている。接続端子２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと圧力センサチップ１０とは、配線基板３０を介して電気的に接続されている。

図４（ａ）には配線基板３０の平面図を示す。図４（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面を図４（ｂ）に示す。図５には、図３において配線基板３０の下側に配置されるベースプレート１等の部品の平面図を示す。図５のＡ−Ａ線での縦断面を図６に示す。

図６において、圧力センサチップ１０の中央部には下面に開口する凹部１１が形成され、この凹部１１により薄肉部、即ち、ダイアフラム１２が形成されている。このダイアフラム１２は平面形状が図５に示すように八角形をなしている。図６においてガラス台座１８と圧力センサチップ１０とが接合されている状態で圧力センサチップ１０の凹部１１内が基準圧力室（例えば真空室）となっている。図５においてダイアフラム１２には４つのゲージ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが形成されている。このゲージ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは不純物拡散層よりなる（詳しくはｎ型シリコン基板の表面に形成したｐ型不純物拡散層よりなる）。圧力センサチップ１０内において、４つのゲージ（不純物拡散層）１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを用いたフルブリッジ回路が構成されるように結線されている。そして、ダイアフラム１２の両面に加わる圧力の差によりダイアフラム１２での応力が変化し、この応力の変化に伴ないピエゾ抵抗効果により各ゲージ（不純物拡散層）１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの抵抗が変化し、これがブリッジ回路により検出される。

また、図５，６において、四角板状の圧力センサチップ１０におけるダイアフラム形成面（図６の上面）での四隅にアルミパッド（電極）１４がそれぞれ形成されている。アルミパッド１４はアルミ薄膜よりなる。これらのパッド１４を介して前記ブリッジ回路に定電流を流すとともに圧力センサチップ１０の圧力検出信号を外部に取り出せるようになっている。アルミパッド１４上にはニッケル（Ｎｉ）メッキ膜と金（Ａｕ）メッキ膜が順に形成され、この積層体１５によりアルミパッド１４に半田接合することができる。このＮｉメッキ膜とＡｕメッキ膜は無電解メッキ法にて形成され、マスクレスにてアルミパッド１４上のみに半田接合可能な電極を形成することができる。

このようにして、圧力センサチップ１０は、ベース部材としてのベースプレート１に搭載され、感圧部であるダイアフラム１２およびパッド１４を有している。
図６において各接続端子２０ａ〜２０ｄは、りん青銅製ピン２１の表面に金（Ａu）メッキ層２２を形成したものである。この接続端子２０ａ〜２０ｄの一部がベースプレート１の上面に露出している。

図６でのベースプレート１の上面と圧力センサチップ１０の上面とは同じ高さとなっている（同一面を構成している）。
一方、図４（ａ），（ｂ）において、配線基板３０は四角板状をなしている。配線基板３０は樹脂製シート３１と配線（導体パターン）３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄからなり、樹脂製シート３１にて配線３２ａ〜３２ｄがモールドされている。樹脂製シート３１は熱可塑性樹脂製シートであり、その材料として、例えばＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、またはそれらの混合物を挙げることができる。樹脂製シート３１は電気絶縁性を有する。配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄの材料は銅である。

図４（ａ）において４つの配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄは帯状をなし、四角板状をなす配線基板３０（樹脂製シート３１）の中央部分から外方に向かって放射状に延びている。配線基板３０（樹脂製シート３１）の中央部分には貫通部（貫通孔）３３が形成されている。貫通部（貫通孔）３３の平面形状としては、配線３２ａ〜３２ｄを配した部位を除いて四角形状に樹脂製シート３１を圧力センサチップ１０よりも大きく切り抜いた形状をなしている。この貫通部３３は圧力検出対象の流体であるエンジン排気ガスの圧力を圧力センサチップ１０のダイアフラム１２に印加するためのものである。樹脂製シート３１における配線３２ａ〜３２ｄの内方側端部に対応する部位において、下面に開口するビアホール（開口部）３４が形成されている。同様に、樹脂製シート３１における配線３２ａ〜３２ｄの外方側端部に対応する部位において、下面に開口するビアホール（開口部）３５が形成されている。ビアホール（開口部）３４，３５は電気接続用孔として機能する。配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄにおけるビアホール（開口部）３４にて露出する部分には銅メッキ膜３６が形成されるとともにビアホール（開口部）３５にて露出する部分には銅メッキ膜３７が形成されている。

このように、配線基板３０は、樹脂製シート３１で、パターニングした配線３２ａ〜３２ｄを封止した構成となっている。
図４（ａ），（ｂ）に示す配線基板３０が、図５，６に示す圧力センサチップ１０上およびベースプレート１上に配置され、これらの部材に樹脂製シート３１が熱圧着されて図２，３の構造となっている。

図２，３において、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄは、圧力センサチップ１０の各パッド１４および接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部に半田によって接合されている。詳しくは、図４（ａ），（ｂ）の配線基板３０のビアホール（樹脂膜からの引き出し口）３４，３５に半田ペーストを塗布する。そして、この配線基板３０を圧力センサチップ１０およびベースプレート１上に配置して、樹脂製シート３１を圧力センサチップ１０およびベースプレート１に３００℃以上の温度で熱圧着する。この熱圧着時に配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄの一端と圧力センサチップ１０のパッド１４とが半田付けされるとともに配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄの他端と接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部とが半田付けされる。よって、パッド周辺および接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部においても樹脂製シート３１が接着され、接合部が完全に樹脂製シート３１で封止され、耐腐食性の高い構造となる。また、圧力センサチップ１０の上面に圧力検出対象の流体であるエンジン排気ガスが導入される（図１参照）。ここで、配線基板３０の貫通部３３により、圧力センサチップ１０のダイアフラム１２が露出（開口）している。これにより高精度に圧力検出を行うことができる。

図７には、圧力センサチップのパッド・配線基板の配線間の接合部を顕微鏡で観察したときの断面模式図を示す。
図７において、圧力センサチップのパッド上のＮｉ−Ａｕ積層電極と、配線基板の配線でのＣｕメッキ層との間が金属接合部（半田）にて接合されていることが確認できた。

以上のように本実施形態は、下記の特徴を有する。
（１）樹脂製シート３１で、パターニングした配線３２ａ〜３２ｄを封止した配線基板３０を備え、この配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４、および、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄと接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部を、それぞれ接合するとともに、これら各接合部を配線基板３０の樹脂製シート３１で封止した。よって、圧力センサチップ１０のパッド１４および接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部が配線３２ａ〜３２ｄと接合され、この接合部（電気的接続部）が樹脂製シート３１で封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、圧力センサチップ１０のパッド１４と接続端子２０ａ〜２０ｄとが配線基板３０にて接続されるので、ボンディングワイヤを用いずに電気的に接続することができ小型化できる。その結果、耐食性に優れるとともに小型化を図ることができる圧力センサを提供することができる。

（２）図４（ａ），（ｂ）の樹脂製シート３１は、配線３２ａ〜３２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４、および、配線３２ａ〜３２ｄと接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部を接合するためのビアホール３４，３５を具備している。よって、容易に接合することができる。

（３）樹脂製シート３１は熱可塑性樹脂製シートであり、当該シート３１を圧力センサチップ１０およびベースプレート１に熱圧着したので、シート３１を容易に圧力センサチップ１０およびベースプレート１に接着することができる。

（４）圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであるので、実用上より好ましい仕様形態となる。特に、ｐＨ４以下の結露水に曝される環境下で使用するので、より効果が発揮される。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図８は、図３に代わる本実施形態における圧力センサの縦断面図である。図９（ａ）には本実施形態における配線基板３０の平面図を示す。図９（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面を図９（ｂ）に示す。

第１の実施の形態においては配線基板３０の樹脂製シート３１が熱可塑性樹脂製シートであり、熱圧着にて樹脂製シート３１を圧力センサチップ１０およびベースプレート１に接着していた。これに対し、本実施形態では、図８に示すように、樹脂製シート３１として熱可塑性樹脂でないポリイミド樹脂を用いており、かつ、絶縁性接着剤３９にて配線基板３０（樹脂製シート３１）を圧力センサチップ１０およびベースプレート１に接着している。詳しくは、図９（ａ），（ｂ）に示すように、配線基板３０（樹脂製シート３１）の一方の面に事前に絶縁性接着剤３９を塗布する。そして、この配線基板３０を図８に示すように圧力センサチップ１０およびベースプレート１の上面に配置して接着する。これにより接合部となる部位を封止する。

以上のように、配線基板３０を絶縁性接着剤３９を介して圧力センサチップ１０およびベースプレート１に接着したので、接着剤の選択にてより強固に接着することが可能となる。また、絶縁性接着剤３９がエポキシ系もしくはポリオレフィン系であるとよい。
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態を、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

図１０は、図２に代わる本実施形態における圧力センサの平面図である。図１１は、図１０におけるＡ−Ａ線での縦断面図である。
配線基板３０の配線３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４とが異方性導電性接着剤４０を介して電気的に接続されている。また、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄと接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部とが異方性導電性接着剤４１を介して電気的に接続されている。さらに、この異方性導電性接着剤４０，４１を介して電気的に接続した部分が樹脂製シート３１で封止されている。

以上のように本実施形態は、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４、および、配線基板３０の配線３２ａ〜３２ｄと接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部を、それぞれ異方性導電性接着剤４０，４１を介して電気的に接続するとともに、これら異方性導電性接着剤４０，４１を介して電気的に接続した部分を配線基板３０の樹脂製シート３１で封止した。これにより、圧力センサチップ１０のパッド１４および接続端子２０ａ〜２０ｄの露出部が異方性導電性接着剤４０，４１を介して配線３２ａ〜３２ｄと電気的に接続されるとともに、この異方性導電性接着剤４０，４１を介して電気的に接続した部分が樹脂製シート３１で封止され、これにより環境（雰囲気）からの腐食を防止することができる。また、接続端子２０ａ〜２０ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４とが配線基板３０にて接続されるので、ボンディングワイヤを用いずに電気的に接続することができ小型化できる。

第１の実施形態における圧力センサの縦断面図。 第１の実施形態における圧力センサの一部平面図。 図２のＡ−Ａ線での縦断面図。 （ａ）は配線基板を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 ベースプレート等の部品の平面図。 図５のＡ−Ａ線での縦断面図。 圧力センサチップのパッド・配線基板の配線間の接合部を顕微鏡で観察したときの断面模式図。 第２の実施形態における圧力センサの一部縦断面図。 （ａ）は配線基板を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 第３の実施形態における圧力センサの一部平面図。 図１０のＡ−Ａ線での縦断面図。 背景技術を説明するための圧力センサを示す縦断面図。

符号の説明

１…ベースプレート、１０…圧力センサチップ、１２…ダイアフラム、１４…パッド、２０ａ〜２０ｄ…接続端子、３０…配線基板、３１…樹脂製シート、３２ａ〜３２ｄ…配線、３４…ビアホール、３５…ビアホール、３９…絶縁性接着剤、４０…異方性導電性接着剤、４１…異方性導電性接着剤。

Claims (6)

1. ベース部材（１）と、
   前記ベース部材（１）に搭載され、ダイアフラム（１２）およびパッド（１４）を有する圧力センサチップ（１０）と、
   前記ベース部材（１）に、一部が露出する状態で埋設された接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）と、
   パターニングした配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）を樹脂材（３１）で封止してなる配線基板（３０）と、
   を備え、
   前記樹脂材（３１）は、熱可塑性樹脂であり、
   前記配線基板（３０）は、前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）、および、前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の露出部を接合するためのビアホール（３４，３５）を具備するとともに、前記ビアホール（３４，３５）により前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）の一部が露出するように構成され、
   前記ビアホール（３４，３５）を設けた部位にて対向して配置される、前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）、および、前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の露出部を、それぞれ接合するとともに、
   前記配線基板（３０）の樹脂材（３１）を前記圧力センサチップ（１０）およびベース部材（１）に熱圧着することにより、各接合部を前記配線基板（３０）の樹脂材（３１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
2. ベース部材（１）と、
   前記ベース部材（１）に搭載され、ダイアフラム（１２）およびパッド（１４）を有する圧力センサチップ（１０）と、
   前記ベース部材（１）に、一部が露出する状態で埋設された接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）と、
   パターニングした配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）を樹脂材（３１）で封止してなる配線基板（３０）と、
   を備え、
   前記配線基板（３０）は、前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）、および、前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の露出部を接合するためのビアホール（３４，３５）を具備するとともに、前記ビアホール（３４，３５）により前記配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）の一部が露出するように構成され、
   前記ビアホール（３４，３５）を設けた部位にて対向して配置される、前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）、および、前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の露出部を、それぞれ接合するとともに、
   絶縁性接着剤（３９）を介して前記配線基板（３０）の樹脂材（３１）を前記圧力センサチップ（１０）およびベース部材（１）に接着することにより、これら各接合部を前記配線基板（３０）の樹脂材（３１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
3. 前記絶縁性接着剤（３９）がエポキシ系もしくはポリオレフィン系であることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。
4. 前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）、および、前記配線基板（３０）の配線（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）と前記接続端子（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ）の露出部を、それぞれ異方性導電性接着剤（４０，４１）を介して電気的に接続するとともに、これら異方性導電性接着剤（４０，４１）を介して電気的に接続した部分を前記配線基板（３０）の樹脂材（３１）で封止したことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
5. 圧力検出対象の流体はエンジンの排気ガスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. ｐＨ４以下の結露水に曝される環境下で使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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