JP4111158B2 - 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８を用いて説明する。回路基板１００上において、ガラス台座１０１に接合された圧力センサチップ１０２が搭載されるとともに、信号処理回路を形成したＩＣチップ１０３が搭載されている。圧力センサチップ１０２のパッド１０２ａと回路基板１００がボンディングワイヤ１０４により電気的に接続されるとともにＩＣチップ１０３のパッド１０３ａと回路基板１００がボンディングワイヤ１０５により電気的に接続されている。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８のチップ１０２，１０３のパッド１０２ａ，１０３ａ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。
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で高精度な圧力センサを提供することにある。

請求項１に記載の圧力センサによれば、圧力センサチップと回路チップとの間における接合部（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、回路チップと圧力センサチップが重ねた状態で配置されるので、小型化できる。さらに、配線基板の貫通部により圧力センサチップのダイアフラムに圧力検出対象の流体の圧力が印加されるので、高精度に圧力を検出することができる。

また、樹脂材は、配線と圧力センサチップのパッド、および、配線と回路チップのパッド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。

さらに、樹脂材は熱可塑性樹脂材であると、樹脂材を容易に圧力センサチップと回路チップとの間において両チップに接着することができる。

請求項２に記載の圧力センサによれば、圧力センサチップと回路チップとの間における、異方性導電性接着剤を介して電気的に接続した部分が絶縁性接着剤で封止され、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、回路チップと圧力センサチップが重ねた状態で配置されるので、小型化できる。さらに、重ねて配置した圧力センサチップと回路チップとの間における、ダイアフラムを配した部位には絶縁性接着剤が配置されておらず、ダイアフラムに圧力検出対象の流体の圧力を印加することができ、これにより、高精度に圧力を検出することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２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４に記載のように、請求項１〜３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平面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線での縦断面図である。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。

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２において、回路チップ３０の上に圧力センサチップ１０が重ねて配置されている。また、回路チップ３０と圧力センサチップ１０との間には、熱可塑性樹脂シート内に配線を施した配線基板４０が挿入（介在）されている。

図３（ａ）に配線基板４０の平面図を示すとともに、図３（ｂ）に図３（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面を示す。図４には、図２における配線基板４０以外の部品を示す。
図４において、圧力センサチップ１０の中央部には上面に開口する凹部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１に示すように八角形をなしている。図１，４に示すように、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１，４に示すように、四角板状の圧力センサチップ１０においてダイアフラム形成面（図４の下面）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、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。
また、図４において圧力センサチップ１０における凹部１１が開口する面にはガラス台座２０が接合されている。ガラス台座２０に接合された状態での圧力センサチップ１０の凹部１１内が基準圧力室（例えば真空室）となっている。

また、図４において、回路チップ３０には各種のデバイスが形成され、これらのデバイスにより、圧力センサチップ１０からの信号を処理（増幅等）する回路が形成されている。図１，４に示すように、四角板状の回路チップ３０において上面での四隅にアルミパッド（電極）３１がそれぞれ形成されている（回路チップ３０はパッド３１を有している）。このアルミパッド３１を介して圧力センサチップ１０からの圧力検出信号が入力されるようになっている。各アルミパッド３１はアルミ薄膜よりなる。アルミパッド３１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３２によりアルミパッド３１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３１上のみに半田接合可能な電極を形成することができる。

一方、図３（ａ），（ｂ）において、配線基板４０は全体として四角板状をなしている。配線基板４０は樹脂製シート４１と配線（導体パターン）４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄからなり、樹脂製シート４１にて配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄがモールドされている。樹脂製シート４１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４１は電気絶縁性を有する。配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの材料は銅である。

図３（ａ）において４つの配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは帯状をなし、四角板状をなす配線基板４０（樹脂製シート４１）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４０（樹脂製シート４１）の中央部分には貫通部（貫通孔）４３が形成されている。貫通部（貫通孔）４３の平面形状としては、配線４２ａ〜４２ｄを配した部位を除いて四角形状に樹脂製シート４１を両チップ１０，３０よりも大きく切り抜いた形状をなしている。この貫通部４３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４１における配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの内方側端部に対応する部位においてビアホール（開口部）４４，４５が形成されている。ビアホール４４により配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの内方側端部の上面が露出し、また、ビアホール４５により配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの内方側端部の下面が露出している。このビアホール（開口部）４４，４５は電気接続用孔として機能する。ビアホール（開口部）４４，４５による配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの露出部には銅メッキ膜４６，４７が形成されている。

このように、配線基板４０は、樹脂製シート４１で、パターニングした配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを封止しており、かつ、圧力センサチップ１０のダイアフラム１２に圧力検出対象の流体の圧力を印加するための貫通部４３を有している。

図３（ａ），（ｂ）に示す配線基板４０が、図４に示す回路チップ３０と圧力センサチップ１０との間に配置され、樹脂製シート４１が両チップ１０，３０に熱圧着されて図１，２の構造となっている。

図１，２において、回路チップ３０の上に圧力センサチップ１０がパッド３１の配置面とパッド１４の配置面とが対向する状態で重ねて配置され、かつ、圧力センサチップ１０のパッド１４と回路チップ３０のパッド３１が向き合っている。さらに、両チップ１０，３０に挟み込まれた配線基板４０における配線４２ａ〜４２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４とが半田によって接合されているとともに、配線基板４０における配線４２ａ〜４２ｄと回路チップ３０のパッド３１とが半田によって接合されている。詳しくは、図３（ａ），（ｂ）の配線基板４０のビアホール（樹脂膜からの引き出し口）４４，４５に半田ペーストを塗布する。そして、この配線基板４０を両チップ１０，３０間に配置して樹脂製シート４１を両チップ１０，３０に３００℃以上の温度で熱圧着する。この熱圧着時に配線基板４０の配線４２ａ〜４２ｄ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４０の配線４２ａ〜４２ｄと回路チップ３０のパッド３１とが半田付けされる。よって、パッド周辺も接着され、半田接合部が完全に樹脂製シート４１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と回路チップ３０との間に配線基板４０が挟み込まれているが、配線基板４０の貫通部４３によって圧力センサチップ１０のダイアフラム１２が露出（開口）している。この両チップ１０，３０間における貫通部４３による空洞Ｒ１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。このようにして、圧力センサチップ１０と回路チップ３０の対向面は、圧力センサチップ１０のダイアフラム１２を除く領域が配線基板４０により覆われ、これにより高精度に圧力検出を行うことができる。

図１，２において圧力センサチップ１０では上述したようにゲージ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを用いたフルブリッジ回路が組まれており、圧力センサチップ１０の４つのパッド１４のうちの２つのパッドを通して定電流が流され、残りの２つのパッドが圧力センサチップの信号出力用になる。圧力センサチップ１０の４つのパッド１４と、回路チップ３０の４つのパッド３１とが配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄに接続され、かつ、配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄは外部に接続可能となっている。配線４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄのうちの２つが定電流印加用であり（例えば、配線４２ｂはグランド電位にされ、配線４２ｃは外部から定電流が流され）、残りの２つの配線がセンサチップ信号出力用である（例えば、配線４２ａ，４２ｄを通して圧力センサチップからの信号が回路チップ３０および外部に出力され、回路チップ３０において増幅や温度補償等の処理が行われて、図示しない端子から信号が外部に出力される）。

図５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５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）配線基板４０を備え、配線基板４０は、樹脂製シート４１で、パターニングした配線４２ａ〜４２ｄを封止しており、かつ、圧力センサチップ１０のダイアフラム１２に圧力検出対象の流体の圧力を印加するための貫通部４３を有しており、この配線基板４０を挟んで圧力センサチップ１０と回路チップ３０とを互いのパッド配置面が対向する状態で重ねて配置するとともに、配線基板４０の配線４２ａ〜４２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４、および、配線基板４０の配線４２ａ〜４２ｄと回路チップ３０のパッド３１を、それぞれ接合し、かつ、これら各接合部を配線基板４０の樹脂製シート４１で封止した。よって、圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間における接合部（電気的接続部）が樹脂製シート４１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、回路チップ３０と圧力センサチップ１０が重ねた状態で配置されるので、小型化できる。さらに、配線基板４０の貫通部４３により圧力センサチップ１０のダイアフラム１２に圧力検出対象の流体の圧力が印加されるので、高精度に圧力を検出することができる。その結果、耐食性に優れるとともに小型で高精度な圧力センサを提供することができる。

（２）図３（ａ），（ｂ）の樹脂製シート４１は、配線４２ａ〜４２ｄと圧力センサチップ１０のパッド１４、および、配線４２ａ〜４２ｄと回路チップ３０のパッド３１を接合するためのビアホール４４，４５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４１は熱可塑性樹脂製シートであるので、熱圧着にて樹脂製シート４１を容易に圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間において両チップ１０，３０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されるものであるので、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６には、本実施形態における圧力センサの平面図を示す。図７は、図６におけるＡ−Ａ線での縦断面図である。
圧力センサチップ１０はダイアフラム１２およびパッド１４を有している。回路チップ３０はパッド３１を有している。回路チップ３０は圧力センサチップ１０と重ねて配置されている。このとき、パッド３１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５０を介して電気的に接続されている。また、この状態で圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間において絶縁性接着剤５１が、異方性導電性接着剤５０を介して電気的に接続した部分を封止するように配置されている。ただし、ダイアフラム１２を配置した部位には絶縁性接着剤５１は配置されておらず、圧力検出対象の流体（エンジン排気ガス）がダイアフラム１２に接するようになっている。絶縁性接着剤５１は樹脂よりなる。

以上のように本実施形態は、下記の特徴を有する。
圧力センサチップ１０と回路チップ３０とを互いのパッド配置面が対向する状態で重ねて配置するとともに、圧力センサチップ１０のパッド１４と回路チップ３０のパッド３１とを異方性導電性接着剤５０を介して電気的に接続し、さらに、圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間における、ダイアフラム１２を配した部位を除く、異方性導電性接着剤５０を介して電気的に接続した部分を絶縁性接着剤５１で封止した。よって、圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間における、異方性導電性接着剤５０を介して電気的に接続した部分が絶縁性接着剤５１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、回路チップ３０と圧力センサチップ１０が重ねた状態で配置されるので、小型化できる。さらに、重ねて配置した圧力センサチップ１０と回路チップ３０との間における、ダイアフラム１２を配した部位には絶縁性接着剤５１が配置されておらず、ダイアフラム１２に圧力検出対象の流体の圧力を印加することができ、これにより、高精度に圧力を検出することができる。

なお、第１および第２の実施形態においては圧力検出対象の流体は気体（ガス）であったが、液体（例えばオイル）であってもよい。

第１の実施形態における圧力センサの平面図。 図１のＡ−Ａ線での縦断面図。 （ａ）は配線基板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線での縦断面図。 配線基板以外の部品を示す縦断面図。 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平面図。 図６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

１０…圧力センサチップ、１２…ダイアフラム、１４…パッド、３０…回路チップ、３１…パッド、４０…配線基板、４１…樹脂製シート、４２ａ〜４２ｄ…配線、４３…貫通部、４４…ビアホール、４５…ビアホール、５０…異方性導電性接着剤、５１…絶縁性接着剤。

Claims (4)

1. 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、
   パッド（３１）を有する回路チップ（３０）と、
   パターニングした配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）を樹脂材（４１）で封止してなり、かつ、前記圧力センサチップ（１０）のダイアフラム（１２）に圧力検出対象の流体の圧力を印加するための貫通部（４３）、並びに前記配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）と圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）および前記配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）と回路チップ（３０）のパッド（３１）を接合するためのビアホール（４４，４５）を有する配線基板（４０）と、
   を備え、
   前記樹脂材（４１）は熱可塑性樹脂であるとともに、前記配線基板（４０）は前記ビアホール（４４，４５）により前記配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）の一部が露出され、
   前記配線基板（４０）を挟んで前記圧力センサチップ（１０）と前記回路チップ（３０）とを互いのパッド配置面が対向する状態で重ねて配置するとともに、
   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（４０）の配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）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（４０）の配線（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ）と前記回路チップ（３０）のパッド（３１）を、それぞれ接合し、
   前記配線基板（４０）の樹脂材（４１）を前記回路チップ（３０）および前記圧力センサチップ（１０）に熱圧着することにより、各接合部を前記配線基板（４０）の樹脂材（４１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
2. 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、
   パッド（３１）を有する回路チップ（３０）と、
   を備え、
   前記圧力センサチップ（１０）と前記回路チップ（３０）とを互いのパッド配置面が対向する状態で重ねて配置するとともに、前記圧力センサチップ（１０）のパッド（１４）と前記回路チップ（３０）のパッド（３１）とを異方性導電性接着剤（５０）を介して電気的に接続し、さらに、前記圧力センサチップ（１０）と回路チップ（３０）との間における、前記ダイアフラム（１２）を配した部位を除く、前記異方性導電性接着剤（５０）を介して電気的に接続した部分を絶縁性接着剤（５１）で封止したことを特徴とする圧力センサ。
3. 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または２に記載の圧力センサ。
4. 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１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。

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